Wetenschap WT Technologie
&
Kanker genezen zonder pijn? Duurzame energie uit de oceaan Een 3D-kaart van de atmosfeer
1
Inhoud Wetenschap en technologie • nummer 3 • 2013
Voorwoord Beste lezer,
4
17
22
39
46
8Nanogolfgeleiders
14 Duurzame energie uit de oceaan
25 Aarde in beweging
Van paradox tot 49griepbestrijding
Het versturen en ontvangen van informatie wordt intensief onderzocht. Wetenschappers willen steeds meer, steeds efficiënter en veiliger informatie overbrengen van de ene plaats naar de andere. De dag van vandaag is al heel wat mogelijk, maar recente onderzoeken klinken wel erg futuristisch.
Recent onderzoek bevestigt de werking van OTEC,een nieuwe techniek die in staat is elektriciteit uit opgewarmd oppervlaktewater van zeeën en oceanen te halen. De onrechtstreekse leverancier: de zon.
Hoe is ons huidig wereldbeeld ontstaan? De zoektocht naar de aardse dynamiek begon in de negentiende eeuw. Na meer dan 50 jaar wetenschappelijk onderzoek ontstond de theorie van de platentektoniek.
Netwerken zijn overal te vinden. Ze beschrijven communicatie, groei, kuddegedrag en andere belangrijke processen in de natuur en de gemeenschap. Ze bestuderen is dus heel belangrijk.
11 Alles gezien?
19 Wanorde geeft de oplossing
Hoe combineren onze hersenen verschillende signalen van onze zintuigen? Elke dag krijgen we een enorme hoeveelheid aan informatie van onze zintuigen te verwerken. Onze hersenen slagen erin om al deze signalen te verwerken. Maar soms loopt het mis. en wordt het beeld verkeerd geïnterpreteerd
Als we zouden kijken naar het onstaan van wanorde in een systeem dan kunnen we onopgeloste vragen toch oplossen. Door te kijken naar het ontstaan van defecten van de ordening in een geordend systeem kan men dingen oplossen die met de oude methode niet konden opgelost worden.
Cooperparen in 53 halfgeleiders
Verspreiding 56 van olie op water
Het is dan uiteindelijk bevestigd: het voor komen van Cooperparen van een elektron en een gat in een halfgeleider.
Olierampen zijn zeer natuurbedreigend. Hier zullen we ons focussen op hoe gelekte olie zich verspreidt op het oceaanoppervlak.
Net als vorig jaar en het jaar daarvoor, werd het de studenten van de 2de bachelor fysica opgedragen om een tijdschrift te maken van de wetenschappelijke teksten dat ze dit semester geschreven hebben. Graag wil ik het hele team bedanken voor al het werk dat verricht is in het verbeteren van de artikels en de opmaak van dit tijdschrift. Ook wil ik graag onze begeleider, professor Kristiaan Temst bedanken voor het helpen organizeren van dit tijdschrift. Dan is het nog mijn laatste taak als hoofdredacuteur u, de lezer, nog veel leesplezier te wensen!
Brecht Laperre, Hoofdredacteur
2
28
32
35
42
60
Auteurs: Febe Brackx Jannes Daemen Robin Degezelle Laurens Deprez Brecht Laperre Eva Minne Kevin Truyaert Jonas Van de Walle Robbe Verbrugghe 3
In het dagelijkse leven komen we tot de conclusie dat materialen niet altijd zijn wat ze lijken. Stoffen kunnen door verschillende soorten excitaties van structuur en eigenschappen veranderen. Het simpelste voorbeeld hiervan is het koken van water zodat het water in stoom verandert. In eerste instantie valt te denken dat deze veranderingen in aggregatietoestand heel vlug verlopen, maar er zijn faseveranderingen ontdekt die nog veel vlugger verlopen. Je moet dan veranderingen voorstellen die slechts enkele picoseconden duren! Omdat dit tijdsinterval zo extreem kort is, kunnen dit soort faseveranderingen niet meer beschreven worden met de standaard wetten van de thermodynamica. Ook komen er extra eecten zoals het vlindereect bij kijken die niet zo makkelijk te voorspellen zijn. Daarom moeten wetenschappers op dit vlak nog veel werk verrichten om de theorie op punt te stellen. Een ander doel dat wetenschappers voor ogen hebben is om de faseveranderingen te gebruiken in technologische toepassingen. Wanneer de faseveranderingen in onze technologie geïntegreerd kunnen worden, is het mogelijk om op het vlak van snelheid grote stappen vooruit te zetten.
Snelle magneten
Supersnelle Faseovergangen
S
nelheid is een van de belangrijkste zaken in ons leven. Dit is zeker zo in de bedrijfswereld, maar ook voor ons eigen comfort kunnen onze toestellen niet snel genoeg werken. Soms is onze technologie gebaseerd op faseovergangen. Dit zijn veranderingen in structuur en eigenschappen van stoen. Sommige van deze overgangen verlopen extreem snel. Onze technologie zou dus enorm verbeteren als deze faseovergangen gecontroleerd zouden kunnen worden.
Jannes Daemen
4
De onderzoekers van de universiteit van Nijmegen hebben al belangrijke stappen gezet in het bestuderen van supersnelle faseovergangen. Meerbepaald onderzoeken ze dit in het domein van magnetisme en ze hebben zelfs al een idee hoe dit praktisch zou kunnen toegepast worden. De concrete faseovergang in dit geval is een heroriëntatie van de magnetische momenten. De magnetische momenten geven de oriëntatie van de magnetisatie aan en je kan je dit visueel voorstellen door te denken aan ‘naaldjes’ die volgens een magnetisch veld gericht zijn. De faseovergangen zijn heel goed merkbaar in orthoferrieten. Dit zijn materialen die bestaan uit ijzer, zuurstof en ionen die zeldzaam zijn op de aarde en die een kristalstructuur hebben. Op Figuur 1 is de structuur duidelijk te zien. De pijltjes op de figuur geven de magnetische momenten aan. Het is duidelijk dat deze pijltjes niet perfect 180° ten opzichte van elkaar staan. Hierdoor is er een netto magnetisch moment. Eigenlijk is het materiaal opgedeeld in
Figuur 1: Voorstelling van de kristalstructuur van orthoferrieten. De pijlen geven de richting van de magnetische momenten aan.
verschillende gebieden met elk een verschillend magnetisch moment. Dit wordt ferromagne tisme genoemd. Een andere belangrijke eigenschap is dat de dynamica van antiferromagnetisme wordt overgenomen, hoewel dit tegenstrijdig lijkt. Precies door deze twee eigenschappen verlopen de faseovergangen zo snel. Enerzijds kan het magnetisch moment veranderen en anderzijds zorgt de snelle dynamica voor de snelheid van de overgang. Toch is het niet altijd evident om echt die snelheid te bekomen. Faseovergangen nemen plaats wanneer er energie wordt toegevoegd of wanneer er energetisch een voordeligere situatie wordt gecreëerd. Energie kan toegevoegd worden door het materiaal op te warmen. Maar dit verloopt traag en is dus niet wenselijk. Daarom zullen hier laserstralen gebruikt worden omdat ze in heel korte tijd veel energie kunnen leveren aan het materiaal. Een an5
Slot
Figuur 2 : Dit een schematische weergave van het omdraaien van de magnetisatie via laserstralen. s+en s- stellen de laserstralen voor, telkens met een andere oriëntatie. De pijlen geven de nieuwe magnetisatierichting aan.
der voordeel is dat met laserstralen heel makkelijk specifieke delen van het materiaal kunnen geraakt worden. De onderzoekers van Nijmegen hebben echter niet zomaar standaard laserstralen gebruikt, maar deze circulair gepolariseerd. Op die manier wordt er heel lokaal een magnetische veld opgewekt, wat dus ideaal is om de magnetische momenten te veranderen. Bovendien bepaalt de richting, links of rechts, van de polarisatie hoe het magnetisch moment verandert. Dit is schematisch te zien in Figuur 2. Toch was er een grote verassing wanneer het experiment werd uitgevoerd. Blijkbaar verandert het magnetisch moment pas enkele picoseconden nadat de laserpuls het materiaal heeft verlaten. Dit effect noemt men het vlindereffect in magneten omdat een kleine verandering voor grote effecten kan zorgen! (zie kader)
6
wel nog een grote technische beperking. De faseverandering gebeurt dan wel razendsnel, maar het bestralen van verschillende delen van de harde schijf verloopt een stuk trager omdat de schijf zelf maar aan 7200 toeren per seconde draait. Om dit echt toe te kunnen passen moet de harde schijf dus eerst opnieuw gemodelleerd worden.
Er zijn echter andere oplossingen voorhanden. Er bestaan andere materialen die ook heel snelle faseovergangen kennen, hoewel ze anders verlopen. De opslag van data kan dan gebeuren doordat de optische eigenschappen van het materiaal veranderen. Concreet beschikken de materialen over twee verschillende structuren, een kristalstructuur en een amorfe structuur. De twee structuren hebben heel verschillende eigenschappen en dat is dan ook de reden waarom de techniek zo goed werkt. Om de overgang te maken tussen de twee structuren moet opnieuw energie toegevoegd worden. Dit kan opnieuw door het gebruik van laserstralen. Deze overgang ten gevolge van de bestraling duurt slechts enkele nanoseconden. Dataopslag De belangrijkste zaken waarmee men rekening moet houden in deze techniek zijn de kristallisatDe vraag is nu hoe deze supersnelle faseoveriesnelheid, de smelttemperatuur en de kristallisagangen concreet gebruikt kunnen worden in techtietemperatuur van het materiaal. Eventueel is het nologische toepassingen. Een project waar de mogelijk om de eigenschappen te versterken door wetenschap zich bijvoorbeeld mee bezighoudt is enkele atomen van het materiaal te vervangen dataopslag op basis van deze overgangen. Comdoor een andere soort atomen. Dit proces noemt puters hoeven enkel de getalwaarden 0 en 1 op te men doperen. slaan. Deze kunnen perfect voorgesteld worden Een laatste voordeel is dat eenmaal de toestand door magnetische momenten en dit is ook wat er van het materiaal veranderd is, er geen extra momenteel gebruikt stroom moet gebruikt worden om deze toestand wordt in harde schijven. Het idee is nu om opnieuw te behouden. laserstralen te gebruiken om specifieke delen van de harde schijf te bestralen. Op die manier kunnen dus de magnetische momenten omgedraaid worden en dus data opgeslagen worden. Momenteel is er
Het is dus duidelijk dat faseovergangen meer omvatten dan het koken van water. Ze zijn dikwijls heel complex om te begrijpen, maar aan de andere kant zijn ze in toepassingen wel heel nuttig. Dit kan voor grote verbeteringen zorgen in de bedrijfswereld waarin de computer een steeds belangrijkere rol speelt. Het belangrijkste is nu dat de supersnelle faseovergangen theoretisch volkomen begrepen worden. Zo kunnen er misschien ook andere toepassingen ontwikkeld worden.
Vlindereffect Er wordt wel eens beweerd dat wanneer een vlinder fladdert, de verstoring in de lucht enkele weken later kan leiden tot tornado’s aan de andere kant van de wereld. Dit heet het vlindereffect. Lucht lijkt eigenlijk heel erg op een soort van vloeistof. Bij vloeistoffen is het dikwijls moeilijk om te voorspellen hoe de beweging in de vloeistof zal verlopen. Hierdoor kunnen kleine verstoringen vlug leiden tot ‘chaos’ in de vloeistof. Wanneer ‘chaos’ wordt gecreëerd kunnen de effecten van bewegingen heel sterk uitvergroot worden. Dit is precies wat er gebeurt wanneer een kleine vlinder fladdert in het luchtruim.
7
gint te groeien. Zo ontstaat uiteindelijk de nanogolfgeleider.
Futuristische informatieoverdracht
Informatieoverdracht van de toekomst
H
et versturen en ontvangen van informatie wordt intensief onderzocht. Wetenschappers willen steeds meer, steeds efficiënter en veiliger informatie overbrengen van de ene plaats naar de andere. De dag van vandaag is al heel wat mogelijk, maar recente onderzoeken klinken wel erg futuristisch. Wat dacht je van bits die tegelijkertijd één en nul zijn? Of oneindig snelle informatieoverdracht? Deze zaken zijn minder ver weg dan je zou denken, maar hiervoor moet een nieuwe manier van informatieoverdracht ontwikkeld worden. Febe Brackx
Nanogolfgeleiders Een recente evolutie in de informatieoverdracht is het gebruik van individuele fotonen. Fotonen, of lichtdeeltjes, zijn immers ideaal voor het versturen van informatie. Ze interageren nauwelijks met de omgeving en dus gaat weinig informatie verloren. Om de fotonen op te wekken, maakt men gebruik van kwantumdots. Dit zijn zeer kleine kunstmatige lichtbronnen. Hun doorsnede is enkele nanometers, wat wel duizend keer kleiner is dan de doorsnede van een menselijk haar. Eén van de grote nadelen van deze kwantumdots is dat de fotonen meestal in een willekeurige richting worden uitgezonden, waardoor typisch maar 1 procent het doel bereikt. Voor informatieoverdracht is dit behoorlijk prob8
lematisch. Probeer maar eens een zin te vormen wanneer maar 1 op honderd letters gegeven is. Onderzoekers van de Stichting FOM, de TU Delft en de TU Eindhoven hebben een techniek ontwikkeld om de fotonen te bundelen, zodat tot 42 procent van de fotonen de juiste kant op gaan. Ze plaatsen de kwantumdot in het midden van een zeer fijne draad. Wanneer deze nanodraad de juiste dikte heeft, dirigeert hij als het ware de fotonen in de richting van de draad. Eén van de grote uitdagingen van deze nanodraden is hun fabricatie. Er bestaan immers geen machines die draden maken van enkele 100 nm doorsnede. De techniek die men toepast is zowel eenvoudig als ingenieus. Men vertrekt van een heel klein gouddruppeltje. Dit plaatst men in een vat met reactief gas. Het gas zorgt ervoor dat uit het gouddruppeltje langzaam aan een draad be-
Het efficiënt verzenden van individuele fotonen blijkt enorm belangrijk wanneer we zaken zoals oneindig snelle informatieoverdracht verder willen ontwikkelen. Deze indrukwekkende evolutie situeert zich binnen de kwantumcommunicatie. Dit is een vorm van informa overdracht waarbij men rekening houdt met de principes van de kwantummechanica. In de kwantumcommunicatie wordt informatie doorgegeven via individuele fotonen. Het feit dat ze individueel zijn is essentieel, want in de traditionele informatieoverdracht wordt ook gebruik gemaakt van fotonen. Denk maar aan de muziek die uit je radio komt. Deze werd verzonden via radiogolven. Dit zijn een vorm van elektromagnetische golven en bestaan dus uit fotonen. Eén eenheid aan informatie komt overeen met een golf die bestaat uit een heleboel fotonen. In de kwantumcommunicatie daarintegen stelt één foton één eenheid aan informatie voor. De principes die men toepast in de kwantumcommunicatie klinken bizar en onmogelijk. Toch worden ze wereldwijd toegepast in tal van domeinen. Zo stelt men ten eerste dat een willekeurige toestand een combinatie is van een aantal basistoestanden. Denk maar aan Schrödinger’s kat: die was gedeeltelijk dood en gedeeltelijk levend. Pas wanneer we de doos opendeden en keken naar de toestand van de kat, werd hij volledig dood of volledig levend. Door te meten, veranderen we de toestand van de kat. Voor de meting was hij een combinatie van dood en levend, na de meting is hij één van de twee. Dit idee wordt gebruikt in de kwantumcommunicatie. Informatie in computers wordt voorgesteld via énen en nullen. Wanneer we een reeks énen en nullen willen doorgeven van de ene computer naar de andere, kan dit gebeuren via fotonen. Fotonen met een lage energie stellen een 1 voor en fotonen met een hoge energie stellen een 0 voor. Door de fotonen één voor één te ontvangen, kunnen we de oorspronkelijke reeks énen en nullen reconstrueren. Maar wat als we een foton nu tegelijkertijd 1 en 0 maken, net zoals Schrödinger’s kat tegelijkertijd dood en levend was? Dit kan! Meer nog, het heeft belangrijke voordelen voor het
Een nanogolfgeleider overbrengen van informatie. Deze voordelen worden duidelijk verder in dit artikel. Een tweede belangrijk principe is dat van kwantumverstrengeling. Dit wil zeggen dat twee voorwerpen niet onafhankelijk zijn van mekaar, hoewel ze zich toch op een zekere afstand van mekaar bevinden. De toestanden van de voorwerpen zijn als het ware verstrengeld. Dit is bijzonder gek, want er is geen contact tussen de voorwerpen onderling. Einstein, die dit fenomeen beschreef maar er zelf niet echt in geloofde, noemde het “Spooky action at a distance”. Stel nu dat we via het verzenden van een foton van het ene atoom naar het andere de twee atomen kunnen ‘verstrengelen’. Dat zou betekenen dat wanneer we een eigenschap (zoals bijvoorbeeld spin) van het ene atoom veranderen, dat ook de spin van het andere atoom verandert, zonder dat er een kabel moet lopen van het ene atoom naar het andere! Dit is als het ware teleportatie van informatie, en dit oneindig snel. Het principe is hier zeer vereenvoudigd uitgelegd, maar onderzoekers over heel de wereld zijn bezig met deze ideeën en de vele toepassingen ervan. 9
Kwantumcryptografie Een zeer nuttige toepassing van de kwantumcommunicatie valt binnen de kwantumcryptografie en noemt men kwantum Key Distribution. In de cryptografie maakt men gebruik van sleutels (keys) om geheime boodschappen te versleutelen en dan door te sturen naar mekaar. Maar als je wilt communiceren met iemand op grote afstand, is natuurlijk nog de vraag hoe je de sleutel verstuurt. Moet men een sleutel verzinnen om de sleutel dan ook te versleutelen? Dit probleem kan opgelost worden door de sleutels via fotonen door te sturen. Zoals eerder uitgelegd, stelt het foton tegelijkertijd 1 en 0 voor, tot je hem meet. Eens de toestand van het foton gemeten is, wordt dit opgemerkt door iemand die vervolgens nog eens de toestand meet. Wanneer dus tussen het verzenden en ontvangen een persoon met kwade bedoelingen de boodschap onderschept, weten de ontvanger en verzender dat de sleutel niet meer bruikbaar is en moeten ze het proces opnieuw doorlopen.
Toekomst De mogelijke toepassingen van kwantumcommunicatie zijn eindeloos, maar de praktische uitwerkingen ervan staan nog in de kinderschoenen. Het verzenden van individuele fotonen gebeurt immers nog niet efficiënt genoeg. Het idee van Val Zwiller en Michael Reimer om kwantumdots in nanodraden te plaatsen is reeds een stap in de goede richting, maar deze techniek moet nog verder verbeterd worden. Pas wanneer zo goed als alle verzonden fotonen aankomen bij de ontvanger, zal een hele nieuwe manier van informatieoverdracht mogelijk worden.
Wie De techniek met de nanodraden werd ontwikkeld door onderzoekers van de Stichting FOM, de TU Delft en de TU Eindhoven. Aan het hoofd van dit onderzoeksteam stonden Val Zwiller en Michael Reimer. Val Zwiller (1971) studeerde fysica aan de Universiteit van Strasbourg en behaalde zijn doctoraat aan de Universiteit van Lund in 2001. Na vijf jaar onderzoek aan Duitse en Zwitserse universiteiten kwam hij terecht aan de TU Delft waar hij tot op vandaag de optische eigenschappen van nanostructuren bestudeert. Michael Reimer (1976) behaalde in 2000 zijn doctoraat in de fysica aan de University of Waterloo. Hij werkte eerst twee jaar in de bedrijfswereld om vervolgens opnieuw naar de universiteit te trekken. In 2004 studeerde hij af in de Toegepaste Natuurkunde aan de Technical University of Munich. Heden ten dage werkt hij als postdoc aan de TU Delft waar hij onderzoek doet naar toepassingen van kwantumdots in de kwantuminformatica.
Michael Reimer 10
Val Zwiller
Alles gezien?
Signaalverwerking van oogprikkels
H
oe combineren onze hersenen verschillende signalen van onze zintuigen? Elke dag krijgen we een enorme hoeveelheid aan informatie van onze zintuigen te verwerken. Onze hersenen slagen erin om al deze signalen te verwerken. Maar soms loopt het mis en wordt het beeld verkeerd geïnterpreteerd. Denk bijvoorbeeld aan optische illusies. Door te kijken naar situaties waarin mensen fouten maken, onderzocht Femke Maij hoe ons brein signalen van verschillende zintuigen verwerkt. Ze testte de waarnemingen van mensen tijdens snelle oogbewegingen.
Eva Minne
De manier waarop ons brein functioneert is een zeer complex vraagstuk. Zelfs achter simpele taken gaat een heel proces schuil. Als we bijvoorbeeld kijken naar een foto, maken we snelle oogbewegingen of ‘saccades’. Op figuur 1 is te zien welke oogbewegingen we maken bij het zien van een foto van een meisje. Dankzij deze saccades kunnen we een volledig beeld vormen van de foto. Onze hersenen krijgen informatie binnen over de oogposities en de signalen van het netvlies. Aan de hand daarvan wordt een stabiel beeld
gevormd. De Nederlandse natuurwetenschapster Femke Maij onderzocht hoe de hersenen deze signalen verwerken door te kijken naar situaties waarin onze hersenen fouten maken. Ons brein maakt fouten wanneer iets kort verschijnt rond het moment van een saccade. Dit wil niet zeggen dat we tijdelijk blind zijn. Een flitsende lamp zullen we nog steeds waarnemen, maar op de verkeerde positie. Hoe groot de fout op de positie is, hangt af van het tijdstip van de flits ten opzichte van de saccade. Als er voldoende tijd
11
Figuur 1: Oogbewegingen (rechts) bij het zien van een foto van een meisje (links) gedurende drie minuten. Een dikke stip geeft aan dat het oog op die positie enige tijd stilstaat (fixatie). Dunne lijntjes geven weer dat de proefpersoon een saccade maakt tussen twee fixaties.
’s avonds laat thuis en het is donker. Om de lichtschakelaar te vinden, beweeg je met je hand over de muur. De kans is groot dat je hem gevoeld hebt, maar ondertussen is je hand al verder. Terugkeren naar de positie waar je denkt dat je de schakelaar gevoeld hebt, gebeurt niet in een rechte lijn, je moet toch nog een beetje zoeken. Dit is wel verrassend, want je had zonet de schakelaar aangeraakt. We maken een systematische fout op de positiebepaling van de schakelaar. In het dagelijkse leven hebben we geen last van lokalisatiefouten tijdens saccades, want het komt zelden voor dat objecten slechts enkele milleseconden zichtbaar zijn. Er is dus voldoende tijd om de positie correct te bepalen. Toch is de studie van Femke Maij van belang. Het geeft ons meer inzicht
in hoe ons complexe brein functioneert. Een vraag die vele wetenschappers in de ban houdt. De informatie over de werking van onze hersenen kan gebruikt worden om kunstmatige systemen te maken voor mensen met een zintuiglijke handicap. Tegenwoordig kunnen dove of slechthorende personen terug horen dankzij een implantaat. Nu zoekt men naar oogimplantaten voor blinden en slechtzienden.lokalisatiefouten tijdens saccades, want het komt zelden voor dat objecten slechts enkele milleseconden zichtbaar zijn. Er is dus voldoende tijd om de positie correct te bepalen.
Waarom maken we snelle oogbewegingen? zit tussen de flits en de saccade zullen er geen fouten optreden. Als een lamp flitst vlak voor of na een saccade, zijn er grote fouten op de positiebepaling. Het is verwonderlijk dat de proefpersonen ook vlak voor een saccade fouten maken, want dan staat het oog en dus het beeld stil. Dit komt omdat de hersenen denken dat het oog al in beweging is tijdens de flits. De hersenen voeren dus een correctie uit voor een beweging die nog niet begonnen is.
Het dagelijkse leven Het lokaliseren van een flitsend lampje (rond een saccade) is niet representatief voor het dagelijkse leven. Het vinden van een lichtschakelaar in het donker daarentegen wel gelijkaardig. De positie van het zintuig (hand/oog) is van belang, en het tijdstip wanneer de schakelaar gevoeld wordt of de flits waargenomen wordt. Beeld je in, je komt
Tuuut … daar was de flits Om de flits te lokaliseren speelt informatie van andere zintuigen een belangrijke rol. Uit onderzoek is gebleken dat proefpersonen beïnvloed worden door een toon voor of na de flits. Ze zullen de toon en de flits op eenzelfde tijdstip waarnemen. Dus als de toon vóór de flits te horen is, zullen de proefpersonen denken dat de flits vroeger plaats vond. Hoe komt het nu dat de toon aan de flits wordt gekoppeld? Als men televisie kijkt, is het beeld vrijwel nooit synchroon met het geluid. De kijker heeft daar geen last van, want de hersenen tolereren kleine tijdsverschillen. Als het tijdsverschil te groot is, zal de kijker dit als storend ervaren. Denk bijvoorbeeld aan een (slecht) gedubd televisieprogramma.
12
Figuur 2: De proefpersoon maakt een saccade van de linker zwarte stip naar de rechter zwarte stip. Rond het tijdstip dat het oog begint met bewegen, wordt er een grijze stip geflitst . Na de saccade geeft de proefpersoon met een vinger aan waar hij de flits zag (rode stip). De fout in de positie bepaling is het verschil tussen de waargenomen positie van de flits en de daadwerkelijke positie.
We moeten saccades maken om een volledig scherp beeld te kunnen vormen, want het oog ziet slechts een klein stukje van de omgeving scherp. Per dag maken we zelfs meer dan honderdduizend saccades. Door de bouw van het oog zien we slechts een klein gebied scherp. Het netvlies bestaat uit lichtgevoelige zenuwcellen. Er bestaan twee soorten zenuwcellen: kegeltjes en staafjes. De kegeltjes zijn gespecialiseerd in het onderscheiden van kleuren. De staafjes kunnen geen kleuren onderscheiden, maar zijn gevoeliger voor licht dan de kegeltjes. De gele vlek is een deel van het netvlies waar de dichtheid van de kegeltjes het grootst is. Dit is het gebied waar we het scherpst zien.
13
centrale, wordt hier simpelweg gebruik gemaakt van het warme oppervlaktewater. De stoom drijft een turbine aan, die elektriciteit produceert. In een condensor koelt koud water uit diepere lagen van de oceaan de werkvloeistof af. De ammoniak wordt nu opnieuw vloeibaar, zodat de cyclus, te zien op figuur 1, kan worden herhaald.
Naast het opwekken van elektriciteit heeft dit nieuw systeem duidelijk nog interessante toepassingen. We bespraken kort een efficiënte methode om drinkwater te produceren, maar hierbij houdt het niet op. Het opgepompte, koude zeewater maakt alternatieve landbouw mogelijk waar het klimaat te heet is. Door de bodem met behulp van ondergrondse leidingen af te koelen, kunnen gewassen als maïs en aardappelen ook in subtropische gebieden gedijen. Ook veel vissoorten, zoals zalm of kreeft, die enkel in koude wateren overleven, worden probleemloos gekweekt in het opgepompte water. Het diepzeewater kan bovendien worden gebruikt om gebouwen te koelen, zowat het omgekeerde principe als bij een centrale verwarming op basis van warm, stromend water. Een groot gebouw, gelegen dicht bij zee, bespaart maar liefst 300 euro per jaar bij gebruik van deze nieuwe aircotechniek.
OTEC, niets dan voordelen
OTEC, waterspelletjes of hightech? Duurzame energie uit de oceaan
R
ecent onderzoek bevestigt de werking van OTEC,een nieuwe techniek die in staat is elektriciteit uit opgewarmd oppervlaktewater van zeeën en oceanen te halen. De onrechtstreekse leverancier: de zon. Met een door de atmosfeer binnendringende intensiteit van meer dan 1300 W/m² zorgt ze er voor dat rond de evenaarsgebieden het bovenste laagje oceaanwater opwarmt tot maar liefst 25 graden Celsius, zo dat een enorm energiereservoir gecreëerd wordt. Jonas Vandewalle
Olieprijzen breken dag na dag nieuwe records, sinds de kernramp van Fukushima is er steeds meer protest tegen kern energieen wat zijn we met de groene wind- en zonne-energie op bewolkte, windstille dagen? Naast de energiecrisis kampt de wereld nu ook met een klimaatcrisis, mensen streven meer dan ooit naar schoon en duurzaam energieverbruik. Maar hoe tegenstrijdig het ook mag lijken,diezelfde (almaar groeiende) bevolking verbruikt steeds meer elektriciteit. Nieuwe energievoorzieningen dringen zich dus op. 14
Hoe halen we elektriciteit uit de oceaan? Het opwekken van elektriciteit door temperatuurverschillen steunt vaak op eenzelfde principe. Ook Ocean thermal energy conversion (OTEC) produceert stoom door een werkvloeistof (hiervoor wordt vaak het scheikundig product ammoniak gebruikt) aan de kook te brengen. Dit gebeurt met behulp van een warmtebron. Waar deze bron in een gas- of oliecentrale de warmte is die vrijkomt door verbranding van fossiele brandstof, of energie die vrijkomt bij kernsplijtingen in een kern-
Meer dan elektriciteit De ammoniakzit in buizen opgesloten en gaat bij elke cyclus over van vloeibare- naar gastoestand en terug. Bij een gesloten systeem wordt een werkvloeistof gebruikt die typisch een vrij laag kookpunt heeft en bijgevolg al kookt bij aanraking met het warme zeewater. Een ietwat andere methode is een open systeem waarin zeewater zelf, in plaats van ammoniak, de cyclus ondergaat. Bij voldoende lage druk is het al mogelijk water bij 25 graden Celsius te laten koken. Welk van beide systemen ook wordt toegepast, het principe blijft gelijk: de stoom drijft een turbine aan en wordt met koud water opnieuw gecondenseerd. Het eindproduct van het laatstgenoemde open systeem is na afkoelen zuiver drinkwater dat van het zeezout werd gescheiden. Een niet eens zo grote installatie zou op die manier per dag tot 4500 liter drinkwater leveren.
Het is een nieuwe, duurzame en groene energiebron. Duurzaam, want zolang de zon schijnt, wordt het energiereservoir continu bijgevuld. Groen, want het afvalproduct bestaat uitsluitend uit zeewater. In vergelijking met vele gekende groene energiebronnen, zoals windturbines en zonnecollectoren, is de OTEC techniek niet afhankelijk van weer of wind. Er wordt dus ononderbroken gewerkt. Bovendien zijn bijproducten als het produceren van drinkwateren het koelen van gebouwen van niet te onderschatten belang in vele warme en droge gebieden. Ook zorgt het verbouwen van uitheemse groenten en fruit en het kweken van Noord-Atlantische vissoorten (allemaal mogelijk door het diepe oceaanwater), voor een ruimer voedselaanbod en minder afhankelijkheid van voedselimport. Toch zijn er enkele kanttekeningen. De techniek vereist namelijk een groot temperatuurcontrast tussen enerzijds het koude water diep in de oceanen anderzijds het warme oppervlaktewater. Dit temperatuurverschil bedraagt voor een optimale werking minstens 25 graden Celsius. Deze condities komen uiteraard niet overal voor. Eilanden in de Caribische Zee tussen Noord- en Zuid-Ameri-
15
ka, alsook de gebieden rond Indonesië en Maleisië zijn wel uiterst geschikt (figuur 2). Ze staan dan ook bovenaan het verlanglijstje van ingenieurs en projectleiders om hier de nieuwe energiebron te testen.
Een 3D-kaart van de atmosfeer
Voorgoed komaf met andere energiebronnen? In geschikte gebieden lijkt zo’n centrale een geschenk uit de hemel. Eilanden kunnen voortaan zelfstandig hun elektriciteit produceren en zijn niet langer afhankelijk van het vasteland. Einde import van dure fossiele brandstof! Nooit meer wachten tot de zon opkomt of de wind opzet! Maar leveren de centrales wel genoeg elektriciteit? Met het vermogen van een kerncentrale, zoals de reactoren in Doel (België), zijn andere centrales moeilijk te vergelijken. Vier van die reactoren (die samen een vermogen van 3000 MW leveren) zijn per jaar goed voor bijna een derde van de Belgische elektriciteitsproductie. Maar ook andere elektriciteitscentrales, zoals gas- of kolencentrales, leveren gemakkelijk 500 MW. Een OTEC centrale, zoals modellen en ontwerpen voorspellen, zou ‘slechts’ 10 MW aan elektriciteit produceren, 50 keer minder dus. Toch is dit ruim voldoende om 100 gezinnen continu van stroom te voorzien.
Curaçao
16
Voorlopig blijven grote projecten op het vasteland uit, waarschijnlijk juist vanwege de lage productie. Projecten voor OTEC centrales op enkele eilandjes krijgen daarentegen steeds meeraandacht. Naast Curaçao, een eiland in de Caribische Zee, zijn vele eilanden tot nu toe volledig afhankelijk van de zeer fluctuerende energiebronnen wind en zon, of van import van fossiele brandstoffen. Maar op dit eiland, een landje binnen het Koninkrijk der Nederlanden, wordt dit jaar gestart met de aanleg van pijpleidingen op de bodem van de oceaan. Dit is meteen de aanzet voor een OTEC project van het Nederlandse bedrijf Bluerise. Binnenkort wordt hier niet alleen elektriciteit, maar ook veel verkoeling uit de zee ‘gepompt’.
D Extra elektriciteit, maar ook toepassingen van OTEC projecten, zullen in de nabije toekomst dus zeker een rol spelen in de ontwikkeling van vele evenaarsgebieden. Maar hoe groot is die rol? Het is duidelijk nog een vraagteken of de OTEC elektriciteitsproductie, zelfs wanneer de productie door grotere en krachtigere centrales aanzienlijk verhoogt, zal kunnen concurreren met andere energiebronnen. Op eilanden lijken de OTEC voordelen groot. Men is niet langer volledig afhankelijk van weer en wind en van import van fossiele brandstof. De duurzame centrales helpen eilanden zelfstandiger te worden in het voorzien van eigen elektriciteit, eigen drinkwater en een ruimer aanbod eigen voedsel. Maar is zo’n nieuwe, duurzame energiebron ook op het vastelandgewenst of blijven massaproducenten als kernenergie daar de vlag voeren? En wat met kernfusie, het proces dat de zon doet branden? Is een doorbraak in het onderzoek naar deze nieuwe potentiële elektriciteitsproducent iets voor de nabije toekomst?
e mens en de aarde zijn constant in wisselwerking met elkaar. We ademen zuurstof in, geproduceerd door de natuur. De uitgeademde lucht wordt door diezelfde natuur terug opgenomen en terug omgezet in zuurstof. Jammer genoeg vindt er ook negatieve interactie plaats van de mens naar de planeet toe. Bossen worden omgehakt en het blijvend verbruik van fossiele brandstoen zorgen ervoor dat CO2 in onze atmosfeer opgebouwd wordt. Indien er teveel CO2 opgebouwd zou worden in onze atmosfeer, staan er ons enkele natuurrampen te wachten. Stel je eens voor dat metershoge vloedgolven de lage landen onder water zetten, of dat stormen veel frequenter voorkomen. Het is begrijpelijk dat men het CO2-gehalte in de atmosfeer wil monitoren om een zicht te hebben op de verandering ervan, zodat we die rampen mogelijks kunnen voorkomen. Kevin Truyaert
Botsende moleculen
Ballonnen
Eerst even iets anders. Net zoals de mens, heeft iedere molecule een soort vingerafdruk. Die bestaat uit de hoeveelheid energie die de molecule draagt. Moleculen verblijven het liefst in de laagst mogelijke energietoestand. Wanneer de toestand dus verschilt van die laagste, zal er energie uitgezonden worden onder de vorm van een golf en die kan je meten. Maar nu kun je je afvragen hoe het kan dat niet iedere molecule in die laagste energietoestand zit. Dit komt omdat de moleculen op verschillende manieren energie kunnen ontvangen. Zo absorberen ze licht van de zon, waardoor ze in een hogere energietoestand komen. Een andere manier, die weliswaar minder energie overzet, is dat twee molecules botsen met mekaar en de een zo een beetje energie overneemt van de ander. Moleculen met teveel energie zenden op hun beurt opnieuw energie uit om naar de laagst mogelijke energietoestand te gaan. Zo blijft er een continue wisselwerking aan de gang.
De dag van vandaag bepaalt men het CO2-gehalte van de atmosfeer door lucht te nemen en er bepaalde chemische reacties op uit te voeren. Momenteel gebruikt men ballonnen en vliegtuigen om die lucht op te nemen. Deze wordt dan onderzocht om de verschillende hoeveelheden van de aparte gassen te bepalen. Zo komt men dus te weten hoe groot het aandeel is van onder andere het broeikasgas CO2. Op die manier kun je dus het verloop van de atmosfeer vastleggen. Momenteel gebruikt men ballonnen en vliegtuigen om die lucht op te nemen. Deze wordt dan onderzocht om de verschillende hoeveelheden van de aparte gassen te bepalen. Zo komt men dus te weten hoe groot het aandeel is van onder andere het broeikasgas CO2. Op die manier kun je dus het verloop van de atmosfeer vastleggen. Je kan er natuurlijk inkomen dat dit een nogal omslachtige manier is. Daar hebben wetenschappers nu iets beters op gevonden. Ze zouden namelijk de ho17
liggen en hierachter zal men slechter tot zelfs helemaal niet kunnen meten. Daarom wil men het zuurstofgas continu mee monitoren. Dit komt omdat het zuurstofmolecule het tweede meest voorkomende molecule is en meer met andere moleculen reageert dan het meest voorkomende molecule, stikstofgas.
Broeikaseffect Stel dat er geen enkele vorm was van broeikaseect op onze planeet, dus enFiguur 1: Het is mogelijk om meer te weten te komen over de atmosfeer kel opwarming door de zon en de aardvan onze blauwe planeet als we meer leren over moleculaire botsingen. korst zelf, dan zou het hier gemiddeld eveelheid van bepaalde gassen in de atmosfeer -18°C zijn. Dit werd uit theoretische modellen geopmeten via apparatuur die in satellieten zit. Die haald. Dankzij het broeikaseffect is de temperatuur apparatuur is in staat om de uitgezonden golf van op aarde gemiddeld 15°C. Teveel broeikasgassen een molecule met teveel energie te meten. Omdat in de atmosfeer kunnen er dan weer voor zorgen die golf verschilt van de soorten moleculen onder- dat de temperatuur te hoog wordt voor de meeste ling, kan zo gevonden worden welke molecule die levende organismen hier op aarde. De rol van de welbepaalde golf uitgezonden heeft. Als je veel mens in de CO2 toevoer in de atmosfeer is drasvan die signalen ontvangen hebt, kun je dus een tisch gegroeid sinds de industriële revolutie. Zo schatting maken van de hoeveelheid van iedere vond men, via metingen uit het ijs van de poolkapsoort molecule in de atmosfeer. Daarenboven zal pen, dat er voor de industriële revolutie gemiddeld men dan in staat zijn om een accurater 3D-model 280 deeltjes CO2 per miljoen deeltjes uit de atvan onze atmosfeer te maken. Dit komt omdat men mosfeer waren. Dit is reeds opgelopen tot gemidniet alleen de soort van het molecule kan onders- deld 390 deeltjes CO2 per miljoen deeltjes. Dit lijkt cheiden aan de hand van de ontvangen golf, maar een kleine hoeveelheid te zijn, zeker als je weet ook hoever die golf uitgezonden was. Zo zal men dat de atmosferische deeltjes voor 99.6% uit de een beter beeld verkrijgen over de structuur van niet-broeikasgassen N2(stikstof), O2(zuurstof) en onze aardse atmosfeer. Ar(argon) bestaan. Die stijging in aantal deeltjes Wolken en stof in de lucht kunnen echter deze met- kan men niet wijten aan schommelingen uit het ingen beïnvloeden. Die zullen namelijk in de weg verleden die zich verderzetten. Daarvoor is deze stijging te groot. In diezelfde periode is de temperatuur met 0.7 graden Celsius gestegen. Deze kleine stijging kan ervoor zorgen dat bepaalde organismen zich moeten aanpassen. Het is dus begrijpelijk dat de mens ervoor moet zorgen dat dit niet explosief verder gezet wordt, zodat de aarde niet een grote sauna zou worden. Daarom is het belangrijk dat de atmosfeer continu in kaart gebracht wordt, zodat men er op tijd iets kan aan doen. Figuur 2: Wolken en stof in de lucht kunnen de metingen verstoren. Daardoor wordt zuurstof constant mee gemonitord.
18
19
Wanorde geeft de oplossing
Vortexdualiteit: een nieuwe manier om fysische vraagstukken op te lossen Als we zouden kijken naar het onstaan van wanorde in een systeem dan kunnen we onopgeloste vragen toch oplossen. Dat zegt Aron Beekman in zijn proefschrift ‘Vortex duality in higher dimensions’. Door te kijken naar het ontstaan van defecten van de ordening in een geordend systeem kan men dingen oplossen die met de oude methode niet konden opgelost worden. Robbe Verbrugghe
Vortexdualiteit Vroeger werd er geopteerd om te werken met een grootheid die 0 is bij een wanordelijk systeem, en een waarde heeft bij een ordelijke toestand. Een voorbeeld hiervan is de magnetisatie van een materiaal. De magnetisatie van een materiaal kan je voorstellen als het magnetisch veld dat een heel klein stukje van dat materiaal uitstuurt. En een magnetisch veld kan je dan weer voorstellen als een pijltje met een bepaalde lengte. Voor het gemak stellen we dat al die pijltjes even lang zijn. Bij een volledig niet-geordend systeem gaan al die pijltjes een verschillende richting hebben. Hierdoor ga je bij elk pijltje wel een ander pijltje vinden die in exact de tegengestelde richting wijst. Die 2 pijltjes (dus de magnetische velden) zullen elkaar opheffen, dus zal het lijken alsof die er niet zijn. Hierdoor is de totale magnetisatie van het systeem 0, want er is geen enkele plaats waar er een magnetisch veld uit het materiaal komt. Bij een ordelijk systeem zullen al die pijltjes dezelfde richting hebben, en zullen ze elkaar dus versterken. Hierdoor zal het totaal magnetisch veld een waarde x hebben (zie figuur 1). Deze grootheid (met een waarde 0 in een wanordelijk systeem en x in een eindig systeem) is goed voor een overgang van chaos naar orde te bestuderen. Maar soms is het juist beter om andersom te werken, en dus te redeneren. Daarom kwam Aaron Beekman op het 20
idee om een grootheid te gebruiken waarvan de waarde 0 is bij een geordend systeem en x bij een chaotisch systeem. Hiervoor heeft hij als voorstel om het aantal vortices (enkelvoud vortex) per volume-eenheid in een materiaal te gebruiken. Maar wat is een vortex nu?
Vortex Een vortex is een defect in een systeem. Dit betekent dus dat een vortex ervoor zorgt dat een ordelijk systeem niet meer geordend is. Maar een defect in een systeem betekent niet noodzakelijkerwijs dat dit defect een vortex is. Andere noodzakelijke eigenschappen (eigenschappen die het defect moet bezitten), om
Figuur 1 Links zie je een niet-magnetisch materiaal, hier zie je dat alle pijltjes een verschillende richting hebben, dit betekent dus dat het systeem in een chaotische toestand is. Rechts is het systeem magnetisch en zie je duidelijk dat het systeem geordend is.
een vortex te zijn, zijn:
Ontstaan van een vortex
• Het defect moet circulair zijn. Dat betekent dat als je een cirkel zou tekenen rond je vortex dat het systeem langs je cirkel ligt, zoals je ook kan zien in figuur 2.
Vortices ontstaan eigenlijk constant in een systeem. Maar in een geordend systeem zullen die direct weer onderdrukt worden, en daardoor zien we ze niet. Maar als een systeem in de buurt komt van een faseovergang, merken we dat die vortices steeds minder worden onderdrukt. Hoe dichter we komen, hoe rapper de vortices in ons systeem ontstaan. Tot het systeem helemaal wanordelijk is. Als we vergelijken met onze parameter van daarnet, merken we dat als ons systeem geordend is, het aantal vortices per volume-eenheid 0 is, maar dat onze oorspronkelijke parameter x is. Bij een ongeordend systeem zal het aantal vortices per volume-eenheid y zijn, maar zal de parameter hier 0 zijn (zie figuur 3). Dus kunnen we eigenlijk stellen dat voor de vortices een ongeordende toestand ‘geordend’ is, en dat de geordende toestand ‘ongeordend’ is. In een volgend deel zullen we het idee in een 2 dimensionale ruimte uitwerken, maar eerst zullen er nog enkele begrippen worden verduidelijkt.
• Het oog van de vortex (het middelpunt) moet singulier zijn. Dit wil zeggen dat we in het centrum van de vortex niet weten wat het systeem doet, of beter: de grootheid is niet bepaald in het centrum. Als voorbeeld van een vortex nemen we een orkaan. In het geval van een orkaan kan je spreken over een defect, want de windrichting is daar niet meer geordend, de wind gaat namelijk in een cirkel beweging, en dus niet rechtdoor. Verder zie je ook duidelijk dat als je een cirkel rond een orkaan zou trekken, de windrichting mooi die cirkel zal volgen. Ten slotte is de windrichting in het oog moeilijk te voorspellen (zie figuur 2). Ondanks dat een vortex een invloed heeft op een groot deel van je materiaal, kan je een vortex ook voorstellen als een deeltje in dit materiaal. Zo’n deeltje noemen we een vortexdeeltje. Over die deeltjes kan je een veldentheorie ontwikkelen die duaal is met de veldentheorie van geladen deeltjes. Zoals het woord doet vermoeden, maakt de klassieke veldentheorie gebruik van velden. Hierbij geldt dat een veld een situatie is waarin (eventueel) aanwezige deeltjes een kracht zouden ondervinden. Voorbeelden van zo’n veld zijn: het elektrisch veld, het magnetisch veld, het elektromagnetisch veld, … .
De ruimtetijd De ruimtetijd is de gewone ruimte, maar met een extra dimensie, namelijk de tijd. De ruimtetijd wordt voornamelijk gebruikt in de relativistische fysica, dit om het verband tussen ruimte en tijd te kunnen aantonen. Als een deeltje zich beweegt in de ruimtetijd, volgt die een wereldlijn. Een wereldlijn is bijna zoals het pad van een deeltje. Maar weer moet je reken-
Figuur 2 Links zie je een vortex aan de hand van vectoren. In het centrum van de vortex merk je dat het onduidelijk is welke richting de vector heeft. Rechts zie je een foto van een orkaan, hier zie je duidelijk een circulaire beweging.
Figuur 3 Links is een voorbeeld van een geordend systeem. Hier is het aantal vortices per oppervlakte-eenheid 0. Rechts daarentegen zien we een ongeordend systeem waarbij het aantal vortices per volume-eenheid y is.
21
ing houden met de tijd. Dat wil dus zeggen als je een balletje hebt en die draait de hele tijd in een cirkel dat de baan van het deeltje gewoon een cirkel zal zijn. De wereldlijn van het deeltje zal echter een spiraal zijn die langs de tijd-as naar boven loopt, zoals je kan zien in figuur 4. Een derde belangrijk begrip in de ruimtetijd is een wereldoppervlak. Een wereldoppervlak is analoog aan een wereldlijn. Maar in het geval van een wereldoppervlak is het geen deeltje die beweegt, maar een rechte. In dit geval werken we dus met vortexlijnen, dit kan je eigenlijk zien als allemaal vortexdeeltjes vlak naast elkaar. Bij zo’n vortexlijn ontstaat er een oppervlak, en dus geen lijn, dit kan je ook zien in figuur 5.
veldentheorie van geladen deeltjes. Hierdoor is Aron Beekman in zijn doctoraat op een nieuw idee gekomen in verband met koper-oxidesupergeleiders. Dit lijkt echter nog maar een van de vele dingen die we zullen kunnen verklaren door deze manier van denken te gebruiken.
Vortexdualiteit in 2D Zoals eerder vermeld in het deel ‘Vortex’ is de veldentheorie van onze vortexdeeltjes duaal aan die van geladen deeltjes. Door deze dualiteit verder te onderzoeken merkt men dat de geordende toestand duaal is aan een ‘gas’ van geladen deeltjes. Wat echter belangrijker is, is de ongeordende toestand. Deze toestand blijkt namelijk duaal te zijn aan een type II-supergeleider (zie figuur 6). Deze laatste dualiteit heeft Beekman gebruikt in zijn proefschrift. Hierdoor is hij op een verklaring voor koperoxide-supergeleiders (supergeleiders met een hoge kritische temperatuur tot 140 K, -133°C) gekomen. Dit wordt in deze tekst echter niet verduidelijkt.
Figuur 5 Bij deze figuur zie je een rechte in de wereldruimte bij een bepaald t0 (de onderste rechte). Als we bij t1 de rechte tekenen merken we dat die naar boven is verschoven. Als we nu alle wereldlijnen die de punten op de rechte hebben gevolgd zouden tekenen merken we dat er een oppervlak ontstaat (het licht rode). Dit is het wereldoppervlak die de rechte heeft afgelegd.
D
e introductie van de computer in de jaren 80 heeft voor een sterke verandering in onze maatschappij gezorgd. Maar dat is pas het begin. Met kwantumcomputers zouden we onnoemelijk veel sneller kunnen rekenen dan met een klassieke computer. Het zou wel eens voor een nieuwe digitale revolutie kunnen zorgen. Robin Degezelle
Conclusie
Het ontstaan van wanorde in een systeem is equivalent aan het ontstaan van vortices in dat systeem. Als we kijken naar zo’n vortex, meer bepaald naar de veldentheorie rond vortexdeeltjes, merken we dat die duaal is aan de
Figuur 4
22
Links zie je de beweging van een voorwerp in het gewone vlak. Rechts zie je de spiraal beweging in de ruimtetijd van hetzelfde voorwerp.
Informatie voor de toekomst
Figuur 6 Een supergeleider is een materiaal waarvan de elektrische weerstand bij lage temperatuur (bij temperaturen lager dan -150°C, de temperatuur waarbij het materiaal een supergeleider wordt noemt men de kritische temperatuur). Deze supergeleiders kan je echter opsplitsen in 2 groepen, namelijk de type-I en de type-II supergeleiders. Het verschil is dat een type-I supergeleider in een magnetisch veld het veld zal wegduwen waardoor het magnetisch veld niet door het materiaal kan. Bij een type II supergeleider echter zal het magnetisch veld wel door het materiaal gaan. (zoals je kan zien in bovenstaande figuur)
I
n 1981 stelde de theoretische fysicus Richard Feynman het concept van de kwantumcomputer voor. Het is een theoretisch model dat veel efficiënter berekeningen zou toelaten door bizarre eigenschappen van kleine deeltjes, zoals elektronen, te gebruiken. Vandaag staan natuurkundigen, informatici en ingenieurs voor de uitdaging om dit idee concreet te realiseren. Dit blijkt een vrij moeilijke taak. Er wordt zeer veel onderzoek gedaan over de hele wereld, maar het wordt nog tientallen jaren wachten voordat we deze computer in de huiskamer zullen kunnen vinden. Het zou wel eens het begin van een nieuw digitaal tijdperk kunnen zijn.
23
Digitale revolutie? Een mens vraagt zich wel eens af of de huidige technologie nog veel kan verbeteren en of het eigenlijk wel nog strikt noodzakelijk is. Het antwoord is verrassend. Veel problemen in de economie, wiskunde, statistiek en fysica vragen vaak erg veel rekenwerk (soms maanden tot jaren). Vaak zijn het problemen waarvan het erg moeilijk te voorspellen is hoeveel rekenwerk ze vragen. In de wiskundige informatica noemt men dit NP-problemen. Een voorbeeld is het handelsreizigersprobleem. “Als er n steden gegeven zijn die een handelsreiziger moet bezoeken, samen met de afstand tussen ieder paar van deze steden. Vind dan de kortste weg die kan worden gebruikt, waarbij iedere stad precies eenmaal wordt bezocht.” Het is duidelijk dat dit proces veel berekeningen vergt. De computer zou elk mogelijk pad moeten overlopen met bijhorende afstand en onderling vergelijken. Voor 12 steden zijn dit 480 miljoen combinaties die de computer moet overlopen. Voor 15 steden zijn dit al 1300 miljard combinaties. Wetenschappers uit Princeton slaagden er in om in 1998 het handelsreizigersprobleem op te lossen voor 15112 steden in Duitsland. Het koste hen 23 jaar computertijd over 110 processors. In de praktijk zijn veel problemen
Oplossing voor het handelsreizigers probleem voor 13 509 steden (met meer dan 500 inwonens) uit de VS 24
Nog lang niet thuis …
analoog aan het handelsreizigersprobleem. Denk maar aan het aanleggen van kabelnetten en het bepalen van het traject van een boorkop bij het boren van gaatjes in een printplaat. Een bedrijf kan heus geen 20 jaar wachten voordat het haar kabelnet aanlegt. Een groot probleem binnen de industrie dus.
Het bedrijf IBM slaagde er in om 5 maal 3 uit te rekenen op 5 atomen. De eerste succesvolle stappen zijn gezet, maar de weg is nog lang. De vele praktische en theoretische vraagstukken in de kwantuminformatie zorgen ervoor dat de kwantumcomputer niet binnen de eerste jaren in de huiskamer te vinden zal zijn. Veel wetenschappers zijn ervan overtuigd dat de kwantumcomputer komt, al dan niet commercieel.
Kwantumcomputer
Problemen als het handelsreizigersprobleem zullen met een kwantumcomputer wel binnen een zekere goed te voorspellen rekentijd uitgevoerd kunnen worden. In een klassieke computer worden bewerkingen op nullen en éénen uitgevoerd. De nul komt bijvoorbeeld overeen met een deeltje dat naar beneden wijst en een één met een deeltje dat naar boven wijst. Door een magnetisch veld aan te leggen kan je die oriëntatie van het deeltje veranderen. De computerberekening zal de oriëntatie van de deeltjes veranderen. De nieuwe oriëntatie van de deeltjes geeft de uitkomst van de computerberekening. In de kwantummechanica - de mechanica van kleine deeltjes - kan een systeem zich in een combinatie van meerdere toestanden tegelijk bevinden. Dit noemt men ook wel het superpositie principe. Dit gaat tegen onze intuïtie in. Het licht is aan of uit, maar in de kwantummechanica kan het zowel aan als uit tegelijk zijn. De reden dat we dergelijke fenomenen niet waarnemen is dat de kwantummechanica van toepassing is op systemen op atomaire schaal. Een kwantumcomputer zou berekeningen op kwantummechanische systemen toestaan. Het grote voordeel is dat een bit niet 1 of 0 is, maar het kan 1 en 0 tegelijk kan zijn. Het heeft een zekere waarschijnlijkheid zich in de 0 toestand te bevinden en een zekere waarschijnlijkheid zich in de down toestand te bevinden. Het kans aspect ligt in het karakter van de natuur en niet in de beperking van de waarnemer. In die zin zou een kwantumcomputer meerdere berekeningen tegelijk kunnen uitvoeren. Het is een extreem geval van parallel computing. In de context van het handel-
sreizigersprobleem zou de kwantumcomputer alle paden tegelijk kunnen uitrekenen. Daardoor zou het handelsreizigers probleem voor 15112 steden in Duitsland in enkele minuten opgelost kunnen worden in plaats van vele jaren. Het principe is mooi, maar tot op vandaag zijn er heel wat praktische en theoretische open vragen.
Scotch tape en de Nobelprijs Een groot probleem ligt in het opslaan en transporteren van kwantuminformatie. In 2010 kregen Andre Geim en Konstantin Novoselov de Nobelprijs Fysica voor baanbrekende experimenten in het materiaal grafeen. Men plakte plakband aan de top van een potlood en trok er vervolgens een laagje grafiet van af. Vervolgens plakte men nog een plakkertje op de klevende zijde van het plakband met het beetje grafiet aan. Als men dit proces herhaalde kreeg men een materiaal dat slechts 1 atoom dik was. Dit materiaal (grafeen) zou wel eens heel geschikt kunnen zijn voor het opslaan en transporteren van kwantummechanische informatie. In 2012 ging de Nobelprijs Fysica naar Serge Haroche en David Wineland. Hun werk stelt ons beter in Haroche en Wineland, winaars van de Nobelprijs staat individuele kwantumsystemen te controle- Fysica 2012 ren en te observeren. Dit is weer een stap dichter naar de kwantumcomputer. Het is een idee dat duidelijk heel erg sterk leeft binnen de fysica. 25
Isostasie evenwicht’. De Zweedse geoloog Gerard Jacob de Geer (1858-1943) vond hiervoor een bewijs, namelijk de opheffing van Scandinavië na het verdwijnen van de ijskap zo’n 10 000 jaar geleden. Doordat de ijskap gesmolten is, ligt er minder massa op Scandinavië waardoor er zich een nieuw evenwicht instelt. De Hoge Kust in Zweden is hier een gevolg van. Halfweg de negentiende eeuw werd een nieuw wetenschapsdomein geboren: de biogeografie. Op Timor en de eilanden in het oostelijke deel van de Indonesische archipel komen papegaaien en kaketoes voor. Op Java en Sumatra komen deze vogels niet voor. De scheidslijn tussen verschillende dier- en plantensoorten kan niet enkel klimatologische oorzaken hebben, maar is ook het gevolg
Aarde in beweging
van geografische wijzigingen. De hele flora en fauna aan weerszijden van de geografische grens verschilt. In het oosten is er een typische Australische fauna en flora, terwijl er ten westen is de typische Indische fauna en flora is. Bovendien zijn de fossielen van planten en dieren die gevonden werden in Zuid-Amerika, India, Australië en Afrika tot een bepaalde periode het zelfde. Het is alsof de continenten vroeger aaneen gesloten waren. Dit supercontinent werd Pangaea gedoopt. Alfred Wegener (1880-1930) was de eerste die beide theorieën (isostasie en Pangaea) samenbracht in één theorie, namelijk de continentendrift. Met een vluchtige blik op de wereldkaart ziet men immers dat alle continenten mooi in elkaar passen. Als de continenten ooit één geheel zijn geweest en ze drijven op een vloeibare substantie (isostasie), dan moeten ze wel kunnen verschuiven. De continentendrift werd niet positief onthaald omdat hij geen sluitende verklaring had voor de aandrijvende kracht voor de verschuiving van de continenten. Pas 40 jaar later werd dankzij Arthur Holmes (1890 -1965) en Harry Hess (1906-1969) de aandrijvende kracht van de continentendrift algemeen aanvaard als zijnde het gevolg van convectiestro-
Platentektoniek
H
oe is ons huidig wereldbeeld ontstaan? De zoektocht naar de aardse dynamiek begon in de negentiende eeuw. Na meer dan 50 jaar wetenschappelijk onderzoek ontstond de theorie van de platentektoniek. Eva Minne
26
Vele wetenschappers hebben bijgedragen tot de ton (1841-1912) met het concept isostasie op de paradigma van de platentektoniek. Tijd om eens proppen. ‘Isostasie’ is gebaseerd op de wet van de hele evolutie die leidt naar ons huidig wereld- Archimedes. Deze wet luidt: “De opwaartse kracht die een lichaam in een vloeistof of gas ondervindt, beeld onder de loep te nemen. is even groot als het gewicht van de verplaatste vloeistof of gas. ” De massa van de verplaatste Van isostasie, Pangaea tot continenten- vloeistof (asthenosfeer) is gelijk aan de massa drift van het lichaam (continenten). Als de dichtheid van het lichaam kleiner is dan de dichtheid van In 1889 kwam de geoloog Clarence Edward Dut- de vloeistof, zal het drijven. Het is in ‘isostatisch
De platen die de aardkorst vormen, bestaan uit een bovenste deel, de korst (bruin en donkergroen) en een onderste deel, het vaste gedeelte van de mantel (groen). De platen bewegen ten opzichte van elkaar; ze wijken uiteen, ze bewegen naar elkaar toe of schuiven langs elkaar. De platentektoniek maakt het mogelijk om het geheel van verschijnselen dat zich op onze planeet voordoet in een algemeen model onder te brengen: aard en ontstaan van de oceanen, middenoceanische ruggen, aardbevingen, diepe oceaantroggen, vulkanisme en gebergteketens en slenkdalen.
27
men in het vloeibare deel van de mantel.
Platentektoniek Op de oceaanbodem ligt het ontegensprekelijk bewijs voor de continentendrift. Dit werd ontdekt tijdens de Tweede Wereldoorlog, want toen was er militaire overwegingen veel onderzoek naar de oceaanbodem uit. Kennis van de oceaan was toen van cruciaal belang om duikboten te kunnen gebruiken als aanvalswapen. De bodem vormt een zeer merk- Stollingsgesteente van 200 miljoen jaar oud heeft in waardig landschap, er liggen lange bergke- zijn mineralen de richting van het magnetische noortens en oceaanruggen. Aan verschillende den vastgelegd tijdens de afkoeling. kusten, o.a. Japan en de Marianen komen er korst onder de continentale korst ter hoogte van diepzeetroggen voor met dieptes van meer dan 10 diepzeetroggen. De theorie van zeevloerspreiding kilometer. en subductie vormen samen de theorie van de Pas in de jaren vijftig kwam de echte doorbraak platentektoniek. De theorie van de platentektoniek in het onderzoek dankzij gesteentemagnetisme. kon enkel tot stand komen door samenwerking Men dacht dat de polen ronddwaalden over het tussen de verschillende wetenschapsdomeinen, aardoppervlak, zogenaamde ‘polar wandering’. zoals paleontologie, geofysica, oceanografie en Voor alle continenten bekomt men een andere geologie. dwaalcurve van de polen. Dit is echter niet mogelijk, want er is maar één magnetische noord en zuidpool. Daaruit volgt dat het niet de polen zijn die ronddwalen, maar het zijn de continenten die Paleomagnetisme verschuiven. Niet alleen op de continenten deed men aan Stollingsgesteentes ontstaan door het stollen magnetisch onderzoek, maar ook op de oceaan- van magma of lava. Deze bevatten ijzerhoubodem. Op de oceaanbodem werden merkwaar- dende mineralen die zich richten volgens het dige patronen, de zogenaamde zebrapatronen aardmagnetisch veld dat aanwezig was op het ontdekt. Dit patroon bestaat uit normaal en omge- tijdstip van hun afkoeling. Eenmaal gestold bekeerd gepolariseerde aardmagnetische veldlijnen houden deze gesteentes definitief dit ‘thermisch in de oceaankorst. Dit duidt op een omwisseling remanent magnetisme’ (TRM). Op deze manier van het aardmagnetisch veld. De magnetische zijn ze een fossiel kompas, dat wel miljoenen noordpool wordt dan de magnetische zuidpool en tot miljarden jaren intact blijft. Het geheim voor de lange levensduur van het TRM in gesteentes omgekeerd. Harry Hess lanceerde in de jaren zestig het con- is de hoge temperatuur waaraan het gesteente cept zeevloerspreiding. Dit verklaart het merkwaar- was blootgesteld voordat het stolde in het aarddige landschap op de oceaanbodem. Ter hoogte magnetisch veld. Dit is de Curietemperatuur, van een oceaanrug wordt er nieuwe oceaan korst daarboven verliest het gesteente zijn magnegevormd,’ de zee spreidt zich’. Dit verklaart ook tische eigenschappen, en gaat het zich richhet zebrapatroon. Telkens als er nieuwe korst ten volgens het magneetveld van de aarde. De gevormd wordt, gaat het zich richten volgens het techniek om de sterkte van het TRM van gesteente te bepalen is ontwikkeld door Louis Néel, toenmalige aardmagnetische veld. Door de zeevloerspreiding wordt er steeds nieuwe Emile en Odette Thellier. We kunnen dus het aardkorst gevormd. Omdat de aarde niet uitzet aardmagnetisch veld van vroeger herconstrumoet de aardkorst ergens terug verdwijnen. Dit ge- eren. Zo heeft men ontdekt dat er een ompolbeurd via subductie (Dietrich Roeder). Onder inv- ing van het aardmagnetisch veld plaatsvindt. De loed van de zwaartekracht zakt de zware oceaan- magnetische noordpool wordt dan de zuidpool 28 en omgekeerd.
K
Kanker genezen zonder pijn?
anker is een vreselijke ziekte, daar is iedereen het over eens. Niet alleen is het één van de grootste doodsoorzaken in België, het is bovendien een zeer pijnlijke en uitputtende ziekte. Maar in tegenstelling tot vele andere ziekten, ligt de oorzaak van de pijn voor vele kankerpatiënten niet bij de kanker zelf, maar bij het genezen ervan. Operatie, chemotherapie en bestraling: alledrie veroorzaken ze enorme last en vele bijwerkingen. Maar misschien kan het beter. Een nieuwe therapie tegen kanker komt uit onverwachte hoek: nanotechnologie en de bijhorende fysica lijken mijlenver weg te liggen van geneesmiddelenontwikkeling, maar het combineren ervan zou een ware revolutie kunnen betekenen voor de oncologie. Febe Brackx 29
Nanodeeltjes
30
De dag van vandaag is chemotherapie de meestgebruikte manier om te vechten tegen kanker. Men dient de patiënt chemische stoffen toe die de kankercellen doden. Jammer genoeg houdt het hier niet bij op. Deze stoffen kennen immers het verschil niet tussen kankercellen en gezonde cellen. Bijgevolg moeten ook de gezonde cellen eraan geloven, met alle gevolgen vandien: haaruitval, misselijk gevoel, verminderde weerstand,\dots Een geneesmiddel ontwikkelen dat dit onderscheid wel kan maken is niet eenvoudig en bovendien weinig efficiënt. Kankercellen veranderen immers razendsnel en kunnen zichzelf dus resistent maken tegen dit geneesmiddel. Een recent ontwikkelde therapie maakt gebruik van nanogeneesmiddelen. Ook deze kennen het verschil niet tussen een kankercel en een gezonde cel, maar komen door hun bouw nooit bij gezonde cellen terecht. De reden hiervoor ligt bij hun grootte en bij de algemene structuur van een tumor. Een tumor haalt zijn voedingsstoffen, zoals zuurstof en suiker, uit het bloed in de bloedvaten die errond liggen. Cellen aan de rand van de tumor krijgen hier meer van dan de cellen in de kern van de tumor. De binnenste cellen worden als het ware verstikt. Daarom zenden ze proteïnen uit om hun gebrek aan zuurstof te signaliseren. Deze proteïnen bereiken de nabijgelegen bloedvaten en stimuleren zo de groei van nieuwe bloedvaten. Dit proces noemt men angiogenesis. Angiogenische bloedvaten hebben één specifieke eigenschap waar men gebruik van maakt bij nanogeneesmiddelen: ze hebben grotere poriën waardoor stoffen kunnen diffunderen. De poriën in normale bloedvaten zijn 2 tot 6 nanometer in doorsnede. De poriën in bloedvaten gevormd door angiogenese zijn zo’n honderd keer groter. Nanopartikels tussen 100 en 300 nm zijn dus ideaal om via de poriën tot bij de tumor te komen zonder dat ze raken aan gezonde cellen. Ze zijn immers veel te groot om de bloedvaten rond gezond weefsel te verlaten. Om een idee te geven hoe klein de nanopartikels zijn: de dikte van de wand van een zeepbel is ongeveer dubbel zo dik! Het principe klinkt simpel, maar er zijn een aan-
De nanopartikels kunnen zelfs schadelijke gevolgen hebben voor de gezondheid. Men moet dus in staat zijn om het productieproces en alle omgevingsfactoren perfect te controleren, wat niet simpel is. Ten tweede zijn de nanomedicijnen erg duur en verhogen ze amper de overlevingskans. De nanomedicijnen maken het leven van de kankerpatiënt een stuk aangenamer, maar het effect van de medicijnen op het al dan niet verdwijnen van de tumor blijft min of meer hetzelfde.
Nanogeneeskunde
Bloedvezels rond een tumor. tal zaken die het proces bemoeilijken. Zo bouwen bepaalde types tumoren een soort van schil rond zichzelf waardoor het erg moeilijk wordt voor de nanopartikels om de kern van de tumor te bereiken. Ook heerst er in de kern een hogere druk dan aan de rand, wat het transport van de nanopartikels bemoeilijkt. Maar de onderzoekers hebben manieren gevonden om deze problemen te omzeilen. Zo ontwikkelden ze nanomedicijnen die de druk in de tumor verlagen, waardoor nanopartikels makkelijker kunnen bewegen doorheen de tumor. Het nanopartikels kunnen ook zo gemaakt worden dat ze de tumordodende stoffen enkel vrijlaten onder een externe stimulans. Deze externe stimulans kan onder andere licht, warmte en een magnetisch veld zijn. Wanneer deze stoffen vrijgelaten worden, zijn ze niet meer omhuld door de nanopartikels en kunnen ze makkelijker door de tumor bewegen. De beschreven technieken werken en worden zelfs al toegepast bij het genezen van kankerpatiënten, maar het gebruik is nog erg kleinschalig. Dit heeft verschillende redenen. Ten eerste is het een enorme uitdaging om op grote schaal nanomedicijnen te produceren die allemaal exact hetzelfde effect hebben. Een nanopartikel bestaat uit honderden of zelfs duizenden atomen. Wanneer de samenstelling ervan lichtjes verandert, kan dit de werking van het nanopartikel ernstig verstoren.
Nanotechnologie heeft, naast het genezen van kanker, nog tal van andere toepassingen in de geneeskunde. De mogelijkheden zijn enorm en hoe meer onderzoekers te weten komen over fysica op nanometerschaal, hoe meer geweldige toepassingen uit de lucht komen vallen. Denk maar aan beeldvormingstechnieken voor in vivo onderzoek. Hiervoor worden contrastmiddelen op basis van nanodeeltjes gebruikt, wat zorgt voor een uitstekend beeld. Ook worden nanodeeltjes gebruikt om werkzame stoffen naar de juiste plaats in het lichaam te brengen. Omdat nanodeeltjes zo klein zijn, zijn ze ideaal voor deze job. Dit principe wordt reeds toegepast in bijvoor-
Dit meisje kan zien dankzij nano implantaten.
beeld anti-schimmelmiddelen. Ook worden nanodeeltjes gebruikt om de eigenschappen van materialen aan te passen. Zo hebben zilverhoudende nanodeeltjes een antibacteriële werking. Dit wordt reeds gebruikt in wondverband. Zelfs in implantaten heeft nanotechnologie z’n nut. In kunstheupen bijvoorbeeld maakt men oppervlakken met nanostructuren zodat ze slijtvaster zijn. Bovendien verdraagt de patiënt deze implantaten beter omdat ook de huid een nanostructuur heeft en de twee oppervlakken dan meer gelijkenissen vertonen.
Keerzijde van de medaille Nanopartikels zijn klein. Zeer klein. Hierdoor kunnen ze langs een heleboel barrières waar andere geneesmiddelen niet langs kunnen en dit is net wat hen zo interessant maakt voor geneeskundige toepassingen. Maar er is ook een keerzijde van de medaille, want hetgene wat nanopartikels zo interessant maakt is tegelijkertijd hetgene wat hen mogelijk gevaarlijk maakt voor de mens. Af en toe hoor je wel eens iets op de radio over een te hoge concentratie aan fijn stof. Dit zijn in principe ook nanodeeltjes. Nanodeeltjes zijn dus aanwezig in de atmosfeer, en door al dat verbranden van fossiele brandstoffen is hun concentratie de voorbije jaren sterk gestegen. Dit fenomeen en het feit dat de nanotechnologie met rasse schreden vooruitgang boekt, zorgen ervoor dat het toxicologisch onderzoek zich steeds meer richt op de schadelijke invloed van nanodeeltjes. Hieruit is gebleken dat nanodeeltjes in de lucht erin slagen om alle verwijderingsmechanismen te omzeilen en zo tot diep in onze longen door te dringen. Via de longen komen ze in het bloed terecht en zo ook bij andere organen. In tegenstelling tot grotere deeltjes kunnen ze cellen binnendringen en daar de stofwisseling verstoren. Zo slagen ze erin om de vorming van schadelijke stoffen te bevorderen. Bovendien kunnen nanodeeltjes via de neus onze hersenen binnendringen. Mogelijk geraken ze zelfs via de huid aan het spijsverteringsstelsel. In principe raken ze dus bijna overal en kunnen ze bijna overal schade veroorzaken. Het probleem is dat de toxicologen nog niet weten welke invloed de deeltjes precies hebben en hoe we dit kunnen tegenhouden. Al deze zaken zijn 31
nog één groot vraagteken, maar tegelijkertijd is men volop bezig met het ontwikkelen van allerlei geneesmiddelen waar deze nanodeeltjes in gebruikt worden. Zijn deze geneesmiddelen wel veilig? Is er geen te hoog risico dat de nanodeeltjes wel helpen om de ziekte te genezen maar tegelijkertijd op andere plaatsen in het lichaam ongekende en oncontroleerbare schade veroorzaken? Op deze vragen heeft men de dag van vandaag nog geen antwoord. Wat met nanotechnologie
kan bereikt worden is ongelooflijk. Kanker op een pijnloze manier genezen, betere implantaten,... Maar zolang men niet verder heeft onderzocht wat de verdere gevolgen zijn van het gebruik van nanodeeltjes, staat er een rem op het grootschalig toepassen van nieuwe geneesmiddelen en therapieën waarin ze verwerkt zitten.
Wie? Het NCL (Nanotechnology Characterisation Lab) in de Verenigde Staten doet dienst als basis voor onderzoeken die te maken hebben met het toepassen van nanotechnologie in het genezen van kanker. Twee toonaangevende onderzoekers van het NCL zijn Scott McNeil en Jennifer Grossman. Scott McNeil studeerde chemie aan de Portland State University en behaalde zijn doctoraat in de celbiologie aan de Oregon Health Sciences University. Na een aantal jaar in een ander nanotechnologie-bedrijf gewerkt te hebben kwam hij terecht bij het NCL. Nu staat hij daar aan het hoofd van een team onderzoekers die zich bezighouden met het testen van recent ontwikkelde nanogeneesmiddelen. Jennifer Grossman haalde een doctoraat in de fysische chemie aan de universiteit van Maryland. Ze startte haar carrière aan het NCL in 2006 en werkt daar mee aan het ontwikkelen van nanogeneesmiddelen.
De eerste geboortes in dit universum
Jennifer Grossman
32
Scott McNeil
Alles wat je rondom je ziet, bestaat uit atomen. Je kunt atomen beschouwen als de bouwstenen van alles wat je kent, alhoewel er eigenlijk nog kleinere deeltjes zijn. Op aarde is men in staat om 98 verschillende atoomsoorten terug te vinden. Maar waar komen die allemaal vandaan? Ook sterren zijn opgemaakt uit atomen. Nu wil men de samenstelling van sterren uit ons eigen sterrenstelsel gebruiken om te weten te komen hoe het universum ontstond en evolueerde. Kevin Truyaert
Geboorte van de elementen In het begin van het universum was alles een grote oersoep. Deze bevatte slechts waterstof, het lichtste en simpelste atoom en een kleine hoeveelheid helium, het tweede element, en lithium, nummer drie. De rest van de elementen worden door sterrenkundigen metalen genoemd. Uit die soep zijn miljoenen jaren later de eerste sterren ontstaan. Sterren zijn een enorme bron
van energie. Die wekken ze zelf op door quasi het omgekeerde te doen van wat er in een kernreactor gebeurt. In een kernreactor neemt men een zwaar, radioactief element en splijt men het in kleinere atomen om hier energie uit te halen. Een ster doet aan kernfusie en creëert zwaardere elementen door lichtere samen te voegen.
33
34
Hier komt ook energie vrij. Omdat een ster grotendeels uit waterstof bestaat, gebruikt ze dit om helium te maken via een bepaald proces. Zo ontstaan ook de metalen. Dit gaat zo verder tot aan het 26e element, ijzer. Hoe ver een ster geraakt in dit proces is afhankelijk van de massa van de ster. Sterren zoals onze zon zullen nooit in staat zijn om ijzer te produceren omdat ze te licht zijn. Wanneer je elementen zwaarder dan ijzer wil maken, moet er opnieuw energie ingestopt worden. Dit zal niet gebeuren omdat een ster energie vrijgeeft en niet opneemt. Maar er komen op aarde 98 verschillende soorten voor en ijzer is het 26 zwaarste ele- De supernova die te zien was op 24 februari 1987, is de ment dat in een ster gevormd wordt. Waar dichtstbijzijnde waargenomen supernova sinds 1604. De komen die andere elementen dan van- supernova gebeurde in de Grote Magellaanse Wolk, een van daan? Wanneer een zware ster sterft, wordt de satellietsterrenstelsels van onze Melkweg. ze een supernova. De hoeveelheid energie die nen daardoor langer leven (zie kader: Waarom zich op het moment van de supernova naar buiten leven lichtere sterren langer dan zwaardere?), werkt, is even groot als de hoeveelheid die onze langer dan tien biljoen jaar. Deze sterren kunnen zon gedurende haar gehele leven uitgezonden zal we de dag van vandaag dus nog steeds waarnehebben. En net die energie stelt haar in staat om men. Onze zon en andere sterren behoren tot de elementen te maken die zwaarder zijn dan ijzer. populatie I sterren. Deze zijn nog rijker aan metOp de figuur linksboven is de supernova te zien alen omdat ze ontstonden in een metaalrijkere die in 1987 ontstond en met het blote oog zicht- omgeving. Een lichte, metaalarme ster zal meesbaar was vanop het zuidelijk halfrond. tal een zeer oude ster zijn. Het zijn net die sterren die ons meer kunnen vertellen over het ontstaan van de allereerste sterren in ons universum. Als Sterrenpopulaties je dus zeer oude sterren wil bestuderen, moet je sterren met een lage metalliciteit onderzoeken. Bij het ontstaan van het universum was er dus naast waterstof, helium en lithium geen enkele Geboorte van de eerste sterren andere atoomsoort aanwezig. De eerste sterren bestonden dus slechts uit deze elementen. Ze worden sterren van de derde populatie genoDe lichtsnelheid is eindig, maar groot. In ons emd. Omdat ze slechts deze drie elementen bevdagelijkse leven hebben we geen last van de atten, waren ze zeer zwaar. Dit komt omdat de eindigheid van die snelheid, omdat alles wat we met onze ogen waarnemen op een relatief kleine metalen in een ster ervoor zorgen dat kernfusie kan plaatsvinden onder een lagere druk. Omdat afstand gebeurt. Het licht van onze zon is echze zo zwaar waren, waren ze in staat om wel ter al acht minuten oud wanneer het onze ogen ver genoeg in het fusieproces te gaan om ijzer bereikt. Wanneer we onze zon bekijken, zien we te produceren. Al deze sterren gingen na een ze dus eigenlijk zoals ze acht minuten geleden paar miljoen jaar supernova. In de regio’s waar was. Als we naar de ster kijken die het dichtst, na deze derde populatie leefde, werden nu dus metonze zon weliswaar, bij ons staat, zien we ze zoalen rondgestrooid door die supernova. Daarals ze eigenlijk vier jaar geledenwas. Nu kun je je door konden nu sterren ontstaan waarin er zich de vraag stellen of het mogelijk zou zijn om door ook metalen bevonden. Deze metalen zorgden heel ver te kijken, hele oude sterrenstelsels waar er dus voor dat de ster niet zo zwaar hoefde te te nemen. Deze techniek wordt gebruikt om naar zijn om aan kernfusie te doen. Zo ontstonden de de geschiedenis van het heelal te kijken, hoe de populatie II sterren. Deze waren lichter en kuneerste stelsels ontstonden, waaruit ze beston-
den,... Via deze manier zijn er echter enkele moeilijkheden. De voornaamste is dat het licht al zeer lang onderweg is, namelijk meer dan 10 miljard jaar. Hierdoor is het licht dat waargenomen wordt zwak. Daarenboven moet je nog rekening houden met de uitdijing van het heelal, die een zeer grote invloed heeft op het licht dat je ontvangt. Daarom heeft men een techniek bedacht die aan archeologische sterrenkunde doet. In plaats van zeer oude sterrenstelsels te onderzoeken, kijkt men naar de buitenste sterren van onze eigen Melkweg. Deze zijn tot op een afstand van 500.000 lichtjaar van het centrum van de Melkweg verwijderd. Ter vergelijking: wij draaien op een afstand van 26.000 lichtjaar rond het centrum. Een schets van deze situatie is terug te vinden op de linkse figuur. Daar worden dan de oudste sterren gezocht. Deze sterren bevatten, in vergelijking met de sterren die dichter bij het centrum van ons stelsel liggen, zeer weinig metalen. Er zijn sterren gevonden met een lage massa en die weinig metalen bevatten in vergelijking met sterren als onze zon. Daaruit kan er dus besloten worden dat deze sterren tot de derde populatie behoren en dat ze dus ontstaan zijn als enkele van de eerste sterren. Informatie over het ontstaan van de eerste sterren kan dan evengoed verkregen wordendoor je te richten
Waarom leven lichtere sterren langer dan zwaardere? Een ster is een zelf graviterend systeem. In de natuur gaat alles op zoek naar een evenwicht. Om die gravitatie te compenseren, is er een drukverschil dat opgewekt wordt door de kernfusie in een ster. Wanneer een ster zwaar is, zal er meer energie geproduceerd moeten worden dan bij een lichte ster. Het evenwicht behouden bij een zware ster, kost verhoudingsgewijs meer energie dan bij een lichtere ster. Bijgevolg zal een zware ster eerder al zijn energie opgebruikt hebben en eerder sterven.
Een schets van onze positie en die van de metaalarme sterren ten opzichte van het centrum van de Melkweg. 'kpc' staat voor kiloparsec, waarbij parsec een term is om een afstand aan te duiden. Parsec wordt meer gebruikt door sterrenkundigen dan een lichtjaar. Een parsec is ongeveer 3.26 lichtjaar ofwel ongeveer 3*1013 kilometer, wat 30 biljoen kilometer is. Om dit zelf af te leggen, zou je 750 miljoen keer rond de evenaar moeten gaan.
tot deze relatief nabije sterren in plaats van zeer verre sterrenstelsels. Zo kan je betere informatie ontvangen, doordat je ster veel dichter staat dan de zeer verre sterrenstelsels. Rond onze Melkweg zijn er ook enkele kleine satellietsterrenstelsels die zeer oud zijn. Dit haal je opnieuw uit het lage metaalgehalte dat je kunt waarnemen. Deze kunnen ons dan weer meer vertellen over het ontstaan van de eerste galaxieën. In plaats van een verklaring voor het ontstaan van de eerste sterren en sterrenstelsels zeer ver te gaan zoeken, is het makkelijker om aan archeologie van de sterren te doen. Hierbij worden dus oude sterren onderzocht die zich aan de rand van ons sterrenstelsel bevinden. Deze sterren kunnen wetenschappers informatie verscharen die hen helpt om een verklaring te vinden voor het ontstaan van de eerste sterren en sterrenstelsels.
35
Sterren: eenzaten of kuddedieren? Het ontstaan en vergaan van clusters.
Sterren, gevormd door samen-klittende stof- en gaswolken, ontstaan in groepen. Sommige groepen sterren, sterrenclusters, hebben een plaats in het heelal, dicht genoeg bij de aarde om ze met telescopen of zelfs met het blote oog op te sporen. Binnen een mensenleven zien we ze nooit van positie veranderen, maar sterrenkundigen zijn het er over eens: niet alle clusters zijn een lang leven beschoren! Sterren worden in een dichte wolk geboren en verlaten stapje voor stapje hun nest, op zoek naar een eigen plaatsje tussen meer dan tweehonderd miljard andere in het onmetelijk grote sterrenstelsel. Jonas Van de Walle
36
Ooit dacht men dat de duizenden heldere punten, zichtbaar aan de hemel bij heldere nachten en toen al ‘sterren’ genoemd, rond de aarde zweefden als een soort versiering voor het leven op aarde. De oude Grieken beweerden in die hemelkoepel allerlei patronen te zien. Deze sterrenbeelden stelden verschillende figuren voor uit de Griekse mythologie: elke groep sterren had een eigen verhaal. Maar komen sterren echt in groep voor? Of lijken de sterren zich bij elkaar te bevinden, maar liggen ze in werkelijkheid op een enorme afstand achter elkaar? En wat met de Zon? Is zij gewoon één van
de miljarden sterren in ons Melkwegstelsel?
Ontstaan van sterren en sterrenhopen. De adelaarsnevel, die te zien is op de volgende pagina, is een voorbeeld van een broeinest voor sterren. Hier worden ze geboren. In zo’n wolk stofdeeltjes en gaspartikels met een temperatuur van bijna -200 graden Celsius krijgen jonge sterren een warme thuis. In een wolk, met een massa die tot tienduizend keer meer weegt dan de zon,
lijken de deeltjes vanop aarde zo dicht opeen te zitten dat ze als een zwarte vlek waargenomen wordt. (Toch is ze vaak nog ijler dan eender welk op aarde gecreëerd vacuüm.) Samentrekkende gravitatiekrachten tussen de moleculen zorgen echter voor een zeer geleidelijke contractie van de wolk, en de extreme koude zet passerende gasdeeltjes om in nog meer vaste stofpartikeltjes. Door onzuivere brokstukjes in de wolk breekt deze beetje bij beetje op in verscheidene kleinere wolkfragmenten, die elk op zich verder samenklitten. Wanneer een bepaalde dichtheid in een wolk wordt bereikt en de temperatuur ondertussen plaatselijk de hoogte is ingeschoten, lijkt de ster geboren. Net zoals bij haar zusjes, die uit andere wolkfragmenten ontwikkeld zijn, zorgen kernfusiereacties voor het echt tot leven komen van de ster: de grote hoeveelheden waterstof, het eenvoudigste en meest voorkomende atoom in het universum, wordt door die kernreacties binnenin de ster omgezet in helium. Maar waarom, als alle families samen worden geboren, zijn ’s avonds aan de hemelkoepel dan slechts enkele groepjes te zien en komen de meerderheid van de sterren volledig afzonderlijk voor?
De adelaarsnevel
vergelijking met de afstand tussen verschillende wolken. Een eerste soort clusters zijn de zogenaamde ‘Tassociaties’. Dit is een groep van een honderdtal sterren in een zeer jong stadium in hun evolutie. (Deze sterren noemen we ’T sterren’.) De sterren zitten nog midden in een dichte wolk en bevatten Sterren nog zeer weinig energie om intens zichtbaar of ultraviolet licht uit te zenden. Hun zeldzaamheid Afhankelijk van grootte, temperatuur en dichtheid en energetische zwakte maakt ze voor het blote van de wolkfragmenten worden verschillende oog onzichtbaar. Sterrenhopen die bij een helsoorten sterren gevormd. Sommige onder hen zijn dere nacht wél zichtbaar zijn en tevens veel vaker relatief klein, soms zelfs tot tienduizend keer kleinvoorkomen, zijn ‘OB-associaties’. De overgrote er dan de Zon, anderen hebben een diameter tot meerderheid in zo’n cluster zijn opnieuw T stertweeduizend keer die van de Zon. Enkele stralen ren, maar nu veel talrijker aanwezig. Opmerkelijk fel en intens licht uit, maar velen zijn amper zichbij deze sterrengroepen zijn, naast vaak een duitbaar. Ook de massa van de sterren vertoont een zendtal jonge T sterretjes, enkele grote, zware en enorme variatie. Er bestaan sterren die tien keer zeer hete ‘O sterren’.Op de figuur hiernaast zijn minder wegen dan onze Zon, maar giganten met deze felle sterren uit de ‘Orion Nebula Cluster’ een gewicht honderdvijftig keer zwaarder dan de uiterst opvallend. Ze heersen over de cluster en zonmassa zijn geen uitzondering. Welke soorten lichten de hele stofwolk om zich heen op. Hoewel sterren in een cluster ontstaan, bepalen in grote nieuw gevormde clusters meestal minstens één mate de soort, maar vooral de evolutie van de zo’n zware, hete ster vormen, en deze ‘OB clussterrenhoop. ters’ dus het vaakst worden aangemaakt, is er een derde groep die de overgrote meerderheid van Soorten clusters alle waargenomen clusters vertegenwoordigt: de ‘open clusters’. Kenmerkend aan deze sterrenVerschillende wolkfragmenten, ontstaan uit een groep is hun compactheid. Dit lijkt de hoofdreden grote bijeenkomst van stof en gas, brengen ster- waarom deze clusters zeer lang overleven (moren voort die relatief dicht opeen liggen, zeker in gelijk meerdere honderdmiljoenen jaren), in tegen37
stelling tot de twee eerder vernoemde groepen, die vaak binnen de tien miljoen jaar vergaan.
Evolutie van een ster: van familiaal naar een afzonderlijk en eenzaam leven. Sterke sterrenwinden door OB-sterren en veel zwakkere winden door T-sterren uitgestuurd, nemen tijdens hun uittocht uit de cluster grote hoeveel-heden stof en gas mee. Dit stof, de schepper van de sterren, verlaat langzaam maar zeker de cluster. Door de grote hoeveelheid hield het via sterke gravitatiekrachten ook de sterren samen, maar met het verdwijnen van dit stof verdwijnt ook de meest samenhoudende kracht. Enkel bij open clusters zijn de gravitatiekrachten tussen de dicht opeenliggende sterren sterk genoeg om zelfs na het uitzwermen van de hele wolk nog lange tijd samen te blijven bestaan. Voor andere clusters betekent het verdwijnen van het stof onvermijdelijk de ondergang. De sterren zelf gaan langzaam maar zeker uiteen, en leiden een eigen, eenzaam bestaan.
38
De Orion Nebula Cluster
sterrenstelsel, dat vaak de naam ‘tweeling van de Melkweg’ krijgt. Op de volgende pagina staat een figuur waarop duidelijk de spiraalvormige armen van dit melkwegstelsel te zien zijn. Dit zijn de plaatsen waar sterren, clusters, nevels en wolken Wat met onze Zon? het meest geconcentreerd voorkomen. In de ‘OriOoit maakte ook de Zon deel uit van een cluster, on Arm’, een van de kleinere armen van ons zongemaakt uit enorme hoeveelheden waterstof en nestelsel, bevindt zich ook de ‘Lokale Bel’, een restdeeltjes afkomstig van eerder ontplofte ster- holte waarin uiterst weinig sterren en stof zweven. ren. Na miljoenen jaren kwam deze ster, net als Een ster die daarin echter al vijf tot tien miljoen zijn zusjes die ontstaan waren uit hetzelfde nest, jaar beweegt, is onze Zon! er alleen voor te staan. Nu, zo’n 4,6 miljard jaar later, vormt de Zon haar eigen planetenstelsel: Besluit ons zonnestelsel. Ons Melkwegstelsel bevat ruim tweehonderd milDe plaats van sterren en clusters binnen jard sterren. Het grootste deel daarvan bestaat uit aparte, volwassen sterren, die elk op zich verder de Melkweg evolueren en uiteindelijk na lange tijd uiteenspatten met een enorme explosie. Waterstof en Een diameter van honderdtwintig-duizend lichtjaar deeltjes afkomstig van ontplofte sterren vormen de (d.i. de afstand die het licht in één jaar aflegt), meer voedingsbodem voor nieuw leven, nieuwe jonge dan tweehonderd miljard sterren, het zijn grootte- sterren die zich zeer geleidelijk vormen in dichte ordes die we ons onmogelijk kunnen voorstellen. wolken. Vele sterren, vaak met diverse grootte Maar laat ons toch even helemaal uitzoomen tot en massa, worden in de stofwolk gevormd en zijn buiten ons Melkwegstelsel. Een echt beeld ver- bovendien verant-woordelijk voor het uitstoten van krijgen van ons eigen, onmetelijk sterrenstelsel is grote hoeveelheden stofresten. De jonge cluster uiteraard onmogelijk, maar experts tonen aan dat breekt zichzelf open om een eigen plaats in het onze Melkweg zeer gelijkaardig is aan een ander
‘Tweeling van de Melkweg’
onmetelijk grote sterrenstelsel te zoeken. Maar hierbij zijn de mysteries van het heelal nog lang niet opgelost, want sinds de twintigste eeuw is bekend dat de Melkweg helemaal niet uniek is in het heelal. Bovendien lijken we analoge structuren terug te vinden tussen verschillende sterrenstelsels onderling. Ook deze komen voor in clusters, als ‘klein’ onderdeel van een nóg groter geheel…
39
Hoe te maken?
Het bouwmateriaal van de toekomst
Massieve metalen glazen
Het maken van glas is eigenlijk een race tegen de klok. Het materiaal moet eerst verhit worden tot een temperatuur boven zijn smelttemperatuur, zodanig dat je dus een vloeistof krijgt. In een vloeistof kunnen de moleculen van het materiaal zich in een bepaald volume vrij bewegen, wat dus helemaal anders is bij de vaste staat, waarbij de moleculen zo goed als vast zitten. Na het smelten van het metaal moet men het snel genoeg afkoelen tot een temperatuur lager dan TG. Bij deze temperatuur is het materiaal in de “glasfase”. Bij deze fase hebben de moleculen geen tijd gehad om weer een kristalstructuur aan te nemen, maar zitten ze bevroren in hun vloeistoffase. Je moet dit echter snel doen, want anders hebben de moleculen toch de tijd om een kristalstructuur te vormen. Deze race tegen de klok wordt relatief simpel gewonnen bij de vorming van gewoon glas. Maar bij metalen gebeurt de kristallisatie zodanig snel dat men er tot voor kort vanuit ging dat het onmogelijk was om deze race bij metalen te winnen.
Race tegen de klok
B
ulk metallic glasses of kortweg BMG’s hebben de mogelijkheid om staal te vervangen. Lange tijd dacht men dat het onmogelijk was om BMG’s te maken, maar recent is daar echter verandering in gekomen. Maar waarom zijn BMG’s beter dan staal? Robbe Verbrugghe
Inleiding
Bulk Metallic Glass
Van september 2004 tot juli 2007 werd er in Dubai gebouwd aan de “Burj Khaliffa”. Deze wolkenkrabber is met zijn 828 meter het hoogste gebouw ter wereld en een architecturaal pareltje. Om deze toren te bouwen werd 31 400 ton staal gebruikt. Het probleem is dat om een gebouw nog hoger te maken, er nog meer staal nodig zal zijn. Het volume ingenomen door dit staal is niet meer bruikbaar voor andere doeleinden. En dus zal bij een hogere toren te veel volumeverlies zijn om nog een rendabele toren te hebben. Om dit probleem op te lossen is men beginnen zoeken naar nieuwe materialen die even sterk zijn als staal, maar minder volume innemen. En een van zo’n materialen is BMG.
BMG is zoals het woord doet vermoeden een soort van ‘metaalglas’. Glas is een materiaal die zich tussen de vaste en vloeibare fase bevindt. Dus net zoals glas bevindt BMG zich in zo’n staat. Om deze staat te bereiken, moet men eerst het metaal vloeibaar maken. Hierna moet men het vloeibare metaal heel snel afkoelen naar TG. Bij deze temperatuur is de structuur van de metaalatomen ‘bevroren’. Hierdoor zal de BMG niet de kristalachtige structuur hebben, maar zal het meer op een kluwen van atomen lijken (zie figuur 1). Het probleem echter is dat dit afkoelen heel snel moet gebeuren, anders hebben de atomen wel de tijd om zich te herschikken en zal het weer gewoon metaal zijn.
40
Vroeger kon men wel al metaalglas maken, maar het was onmogelijk om het dikker dan 1 mm te maken. Dit kwam doordat de metalen waarmee men toen werkte extreem snel hun kristalstructuur terug kregen. Hierdoor moest men toen afkoelen met een snelheid van tussen de honderdduizend
Figuur 1 Links zien we hoe de atomen gerangschikt zijn in een kristalstructuur. Hier zien we vier korrels waarbij duidelijk wordt dat tussen twee korrels het metaal een zwakke plek heeft. Links zien we daarentegen hoe de atomen gerangschikt zijn bij de glas-structuur. Hier zijn er geen zwakke plekken meer, doordat de atomen een groot geheel
Figuur 2 Hier wordt een korrel van de kristalstructuur getoond. Men kan hier duidelijk merken dat dit een stevig structuur is, met weinig zwakke plekken. en een miljoen graden Celsius per seconde. Om deze afkoelingssnelheid te bereiken mocht men het materiaal dus niet te dik maken. Maar dat veranderde echter toen men legeringen ontdekte waarbij die kristallisatie een stuk trager gebeurt. Bij deze legeringen is maar een afkoelingssnelheid tussen de één en de honderd graden Celsius per seconde vereist. Dit maakt het dus mogelijk om veel dikkere BMG’s (eigenlijk spreken we pas vanaf BMG’s vanaf een dikte groter dan 1 mm) te maken.
Waarom beter dan staal?
In figuur 1 kan je het verschil zien tussen de kristalstructuur en de glas-structuur. Je ziet daar duidelijk dat er bij die kristalstructuur allemaal kleine korrels worden gevormd. Die korrels op zich zijn heel stevige structuren. Maar doordat het verschillende korrels zijn heb je toch zwakke plekken. Deze zwakke plekken zijn de grenzen van de korrels. Bij de glas-structuur heb je dit duidelijk niet. Hierdoor hebben BMG’s niet zo’n zwakke punten. Je kan dit ook zien met het blote oog. Bij een blok staal gaan er imperfecties inzitten (krassen, …), maar bij een blok BMG zal dit veel minder te zien zijn. Verder is BMG ook nog altijd even stevig als staal, dus valt het niet uit elkaar zoals een keramisch materiaal. Ten slotte, zoals je ook kan zien in figuur 3, zijn BMG’s naast sterk ook heel flexibel, namelijk even buigzaam 41
als plastiek. Hierdoor kan er veel makkelijker mee gewerkt worden dan met staal.
kunnen BMG’s nog niet voor medische implantaten en aparaturen, katalysatoren, horlogekasten, … gebruikt worden.
Toepassingen
Conclusie
Een van de belangrijkste eigenschappen van BMG’s is dat ze zo goed als onbeperkt zijn in hun dikte. Bij een metaal moet het materiaal minstens een korrel dik zijn, dit is ongeveer een duizendste van een millimeter. Maar bij BMG’s is die beperking veel minder, doordat het de dikte van slechts enkele atomen moet hebben (nog duizend keer dunner). Hierdoor kunnen ze van pas komen bij brandstofcellen, batterijen en sensoren. Verder kunnen ze ook gebruikt worden voor het inprenten van reliëf. Hierbij kan men kiezen voor zacht (T=TG) of hard (T is veel kleiner dan TG) materiaal. BMG’s hebben echter een hoop problemen die nog overwonnen moeten worden. Zo zijn de goede BMG’s alleen nog maar gemaakt met metalen die schadelijk zijn voor de mens. Verder is de prijs ook nog een groot probleem. Terwijl staal maar $1/kg kost, kosten de meest goedkope BMG’s ongeveer $100/kg. Door die hoge prijzen
BMG is dus een materiaal met een groot potentieel. Maar door onder andere de hoge kostprijs kan het echter nog niet gebruikt worden voor toepassingen in het dagelijkse leven. Daarom is het dus belangrijk dat er nog veel onderzoek wordt gedaan naar BMG’s zodanig dat men deze laatste problemen kan oplossen.
Figuur 3 Deze diagram toont de sterkte ten opzichte van de elasticiteit van enkele groepen materialen. Hier merken we een paar dingen op in verband met BMG’s (in de grafiek: Glassy Alloys). Ten eerste merkt men dat de meeste BMG’s sterker zijn dan staal en titanium. En ten tweede valt ook op dat de BMG’s ongeveer even elastisch is als de polymeren (bv: plastiek). 42
Nanomagneten: De harde schijf van de toekomst?
Nieuwe ontdekkingen in nanotechnologie hebben de weg geopend naar nieuwe manieren van dataopslag. Nanodraden, draden van enkele 100 nanometer in doorsnede, zouden de basis worden voor zogenaamde 'racetrack-geheugens'. Geheugens die ongelooijk veel informatie kunnen opslaan en oproepen. Brecht Laperre In een wereld van computers wordt er steeds gezocht naar betere en snellere manieren van dataopslag en -verwerking. De opkomst van interesse in nanotechnologie heeft al voor veel ontdekkingen gezorgd. Die zijn het concept geworden van een nieuw soort computergeheugen, bedacht door Stuart Parkin van IBM Almaden Research Center, het zogenaamde 'racetrack-geheugen'. Eén zo'n geheugen wordt veronderstelt meer dan 100000 liedjes te kunnen opslaan oftewel 350 lms, terwijl het niet groter is dan een alledaagse USB-stick. Ook zou de informatie allemaal beschikbaar zijn in een fractie van een seconde. Het zou de vervanger zijn van ash-drives en zou dus geen bewegende delen bevatten zoals bijvoorbeeld bij een harde schijf. Het geheugen zelf bestaat uit magnetische nanodraden. Zo'n nanodraad heeft een doorsnede van een paar 100 nanometer, en is meer dan 1000 keer dunner dan een menselijk haar. De sleutel achter dit geheugen is dat de informatie opgesla-
gen wordt als magnetische domeinen in de draad. Een zo'n magneetje is een bit. Je kunt het je voorstellen alsof de draad opgemaakt is uit duizenden kleine magneetjes, waar de richting van de noord- en zuidpool telkens bepaalt of de bit de waarde 1 of 0 heeft, zoals te zien op figuur 1. Tussen 2 bits is er een klein gebiedje waar het magnetisch veld verandert. Dat wordt de domeinwand genoemd. Het hele principe van het geheugen draait om het feit dat je de domeinwanden kunt verschuiven met behulp van stroom of magneten. Wanneer de domeinwanden verschuiven, verschuiven ook de magneetjes, wat er dus voor zorgt dat de informatie kan bewegen over de draad. De verplaatsing gebeurt zeer snel, aan snelheden van 400 km/h, wat het de naam 'racetrack-geheugen' heeft gegeven. Op guur 3 is te zien hoe het toekomstig geheugen er zal uitzien. Door de geplooide vorm is het mogelijk zeer veel draden te stapelen en zeer compacte geheugens
43
Figuur 3: Een nanodraad kan zo gemaakt worden. De vorm laat toe om zeer veel nanodraden naast elkaar te stapelen en zo zeer compacte geheugens te vormen.
het geheugen. De manier van verplaatsing is nog niet ideaal en er worden steeds naar nieuwe en betere manieren gezocht om de domeinwanden te verplaatsen. Onderzoekers aan het TU Eindhoven hebben enkele manieren gezocht en zo al enkele resultaten weten te maken.
Ionenstoplicht Een van de grootste problemen is controle over de domeinwanden. Wanneer data geschreven of gelezen wordt is het zeer belangrijk dat de domeinwanden op de juiste plaats stoppen nadat ze verschoven zijn. Maar doordat de domeinwand zo klein is, is deze zeer gevoelig voor kleine oneenheden in de draad. Hierdoor kunnen er onvoorspelbare eecten optreden. Onderzoekers aan TU Eindhoven hebben een manier gevonden om meer controle te krijgen over de domeinwanden. Door ionen te schieten op een deel van de draad, wordt dat deel van de draad minder sterk gemagnetiseerd. Een domeinwand die dan aan de rand van zo’n beschoten deel komt, heeft meer moeite om verder te gaan naar het onbeschoten deel (zie figuur 2). Het zorgt als het ware voor een barriere op de grens tussen het beschoten en onbeschoten deel. Zo kan er gemaakt worden dat de domeinwand op een bepaalde plaats stopt. Geconcentreerde bundels van ionen of gebruik van lichtere stoen, zoals bv. helium, kunnen die barriere nog sterker maken, wat een nog veel preciezere controle geeft.
Magnetische nanopilaartjes Een andere manier om de domeinwanden op hun plaats te houden, is door een zeer kleine magneet loodrecht op de draad te plaatsen.
Figuur 1: Het concept van een nanodraad met de magneten erin. Het gekleurde blokje stelt telkens een magneet voor in de nanodraad. Natuurlijk moet de magneet dan zo klein zijn dat de magneten in de draad niet beinvloed worden. Om zo'n kleine magneet te maken, wordt er gebruik gemaakt van EBID, oftewel 'Electron beam-induced deposition'. Bij deze methode gebruikt men een elektronenstraal die het mogelijk maakt om bepaalde atomen zeer nauwkeurig te plaatsen. Er zijn al zeer interessante structuren gemaakt met deze methode op atomair vlak. Op die manier kunnen er pilaren gemaakt worden van bijvoorbeeld ijzeratomen. Zo'n pilaar is maar enkele nanometer breed en hoog, en heeft een zeer klein magnetisch veld dat dan loodrecht op de draad gericht staat. Dat magneetje zal dan hetzelfde eect hebben als de ionenbestraling op de nanodraad. Er ontstaat een barriere waar de domeinwand niet door kan, en deze blijft op zijn plaats zitten. Hoe meer ijzeratomen er op het staafje geplaatst worden, hoe sterker het magnetisch veld en hoe groter de barriere.
En wat met magneten? Terug naar het verplaatsen van de domeinwanden. De domeinwanden kunnen verplaatst worden met behulp van een stroompuls, maar die puls moet zeer kort zijn en toch zeer veel stroom door de draad
sturen. De domeinwanden bewegen dan in de richting van de stroom en kunnen zo verplaatst worden. Maar onderzoekers ontdekten dat onzuiverheden in het materiaal, samen met het feit dat de draad opwarmt wanneer er een stroom doorheen wordt gezonden, de snelheid van domeinwanden ongelooflijk veel vertraagt, bijna 1000 keer trager dan wat de snelheid normaal zou moeten zijn. Er zou dus een andere manier moeten worden gebruikt om de domeinwanden te verschuiven. Een van de manieren zou het aanleggen zijn van een extern magnetisch veld, maar dan is er de kans dat de magnetische domeinen in de draad veranderen. Het is net als een paperclip die je tegen een magneet houdt. De paperclip is normaal niet magnetisch, maar in contact met de magneet wordt die dat toch. De magneten in de draad zouden veranderen, waardoor de opgeslagen informatie verloren zou gaan. Deze methode leek uitgesloten te zijn. Maar toch zouden de onderzoekers van TU Eindhoven een oplossing hebben gevonden om zo toch een magnetisch veld te gebruiken. Door nogmaals gebruik te maken van ionenbestraling. kunnen ze een soort 'zaagtandpatroon' van energie op de draad leggen (zie figuur 4). Het is zo dat de domeinwand altijd op de plaats wil zijn waar hij het minst energie heeft. Wanneer er dan een wisselend extern magnetisch veld op wordt uitgeoefend, kan de domein-
wand gecontroleerd verschoven worden in beide richtingen, zoals te zien op figuur 4, zonder enige schade te creëeren aan de opgeslagen data. Op die manier moet men geen gebruik meer maken van een stroompuls. Alhoewel dit principe niet gebruikt zal worden in het racetrack-geheugen, heeft het zeker wel potentieel voor andere soorten geheugen.
Elektrische velden Er was ook nog een andere manier van verplaatsing naast elektrische stroom en magneten, maar die werd verondersteld onmogelijk te zijn. Namelijk om elektrische velden te gebruiken. Elektrische velden vragen zeer weinig energiegebruik in vergelijken met stroom of magneten. Het
Figuur 4: Het concept van het zaagtandpatroon door ionenbestraling. Afhankelijk van het magnetisch veld kan de domeinwand vooruit of achteruit bewogen worden.
Figuur 2: Ionbestraling zorgt voor een energieverlaging waardoor er een energiebarriere ontstaat die de domeinwand moet overkomen. 44
45
probleem was echter, dat de elektrische velden niet goed konden doordringen doorheen het magnetische opslagmateriaal, wat ervoor zorgde dat er geen informatie verschoven werd. Maar in Eindhoven zouden ze dit probleem ook hebben kunnen omzeilen. Dit door gebruik te maken van een ultradun opslagmateriaal, maar enkele atomen dik. Een elektrisch veld zou dan veel makkelijker kunnen doordringen en zo de data toch kunnen verplaatsen net als een magneet of elektrische stroom dat zou doen (zie figuur 5).
De evolutie van sterrenstelsels
En wat biedt de toekomst?
Figuur 5: Het concept van het elektrisch veld die voor De nanotechnologie is nog in zijn bloei en beweging zorgt van de magnetische domeinen. iedere dag worden er nieuwe dingen ontdekt. Alhoewel het racetrack geheugen zeer veelbelovend is, is het nog steeds in productie en worden de eerste exemplaren pas verwacht binnen enkele jaren. Eerste modellen van een chip die racetrack cellen bevat zijn al gemaakt, maar zijn nog verre van compleet. Maar wanneer het racetrack geheugen eindelijk zou ontwikkeld zijn, zou het onze manier van leven kunnen veranderen. Het geheugen zou de harde schijf en ash geheugens, wat vooral gebruikt wordt in een USB, vervangen. Naast dat, zou door het feit dat het geheugen zo weinig energie verbruikt en zeer klein is, het kunnen verwerkt worden in bijvoorbeeld
46
H
et heelal is iets mysterieus. Het is groter dan wat we ons kunnen voorstellen. Wellicht zullen we nooit weten hoeveel sterren er precies zijn. Deze sterren zijn geen vaste voorwerpen die daar maar wat rond zweven. Ze ontstaan, evolueren en doven terug uit. door Jannes Daemen arenlang ging men er van uit dat sterren vaste objecten waren, miljarden lichtpuntjes die nooit veranderden. Men dacht dan ook dat de sterrenstelsels en zelfs het hele heelal nooit evolueerden. In het begin van de jaren ‘60 kwam er dan toch het besef dat sterren effectief evolueren en dus ook alle sterrenstelsels. Sindsdien is er enorm veel onderzoek geweest naar de vorming en evolutie van sterrenstelsels. Hoewel de resultaten hiervan fascinerend zijn, is het minstens zo interessant om te weten hoe dit onderzoek verloopt. Ook is de evolutie van de onderzoeksmethoden uiterst interessant. Tegenwoordig verloopt het onderzoek aan de hand van computer simulaties. Met deze simulaties proberen wetenschappers de realiteit te modelleren. De simulaties zelf kunnen onderverdeeld worden in meerdere groepen. Hierbij blijkt donkere materie een cruciaal element te zijn. Ze zal eigenlijk de ruggengraat vormen voor de meeste simulaties.
J
Archeologie
ren samen te voegen, kan dan een volledig beeld van de evolutie van sterrenstelsels gevormd worToen in de jaren '60 het onderzoek op gang den. Deze invalshoek geeft tot op vandaag een kwam, was er geen aanvaard model waarop de goed algemeen beeld, maar het faalt wanneer eerste observaties konden gebaseerd worden. de kleine details belangrijk worden. De tweede Daarom is het heelal bestudeerd vanuit een anaanpak was meer op fysica gebaseerd. Hierbij dere invalshoek, wat ook wel de archeologische baseert men zich voornamelijk op de massa van invalshoek wordt genoemd. Eigenlijk kan je het sterrenstelsels aangezien enkele theorieën uit die heelal als een enorm archief bekijken. Elke ster periode beweerden dat de massa van het sterrenheeft op één of andere manier wel zijn eigen stelsel een grote invloed zou hebben op de vorm verhaal te vertellen. Verschillende astronomen ervan. Naarmate dit onderzoek vorderde, kreeg hebben zich daarom bezig gehouden met het men het idee om simulaties te maken. Het was de bestuderen van nabijgelegen sterren en sterrenbedoeling om deze simulaties dan te vergelijken stelsels. De idee was om met, voor die periode, met de realiteit en zo nieuwe conclusies te kunnieuwe technieken de chemische compositie van nen trekken. De eerste succesvolle simulaties de sterren te bekijken. Op basis van die composi- dateren uit 1978 en werden uitgevoerd door Sitie kan dan achterhaald worden wat ongeveer de mon White. Deze eerste simulaties waren eigenleeftijd van de ster is. Door de gegevens van ster- lijk enkel in staat om kleinere fysische deelproble47
men op te lossen. De theorieën en rekenkracht van computers stonden in die periode gewoon nog niet ver genoeg. Verschillende resultaten bleken tegenstrijdig te zijn met de resultaten uit de archeologische invalshoek. Zo werd bijvoorbeeld geconcludeerd dat sterren veel jonger moesten zijn. Toch waren deze simulaties heel belangrijk in het onderzoek. Kwantitatief klopten de resultaten dan wel niet, maar de simulaties voorspelden wel verschillende ongekende fysische fenomenen en kunnen op dat vlak dus wel succesvol genoemd worden. Op die manier wordt nog maar eens de prachtige samenwerking tussen theorie. .en experiment in dit domein duidelijk. Telkens wanneer een nieuwe theorie is opgesteld, moet deze beproefd worden. Wanneer de resultaten niet volledig kloppen, zijn de resultaten een goed uitgangspunt om theorieën uit te breiden en te verfijnen!
Zwarte materie Omdat de oudere simulaties enkel deelproblemen konden oplossen, was er nood aan een meer globale aanpak. De grote doorbraak kwam er nadat voor het eerst de \textit{Cosmic Microwave Background} of kortweg CMB-straling werd waargenomen. Dit is thermische straling afkomstig van het heel prille begin van ons universum, de Big Bang. De straling vormde een eerste echt bewijs voor de Big Bang-theorie en het geeft een idee hoe sterrenstelsels zich vormen. Dit leidde tot een eerste concreet kosmologisch model waarin donkere materie een centrale component is. Donkere materie heeft zijn naam gekregen omwille van het feit dat ze niet kan geobserveerd worden. Ze straalt namelijk geen licht of een andere vorm van straling uit. Toch wordt vermoed dat dit soort materie in veel grotere mate aanwezig is dan de gewone materie. Bovendien zouden veel fysische verschijnselen niet kunnen verklaard worden zonder dit soort materie. Daarom is het van uiterst belang dat deze component ook in de simulaties wordt opgenomen. Hiervoor is het Concordance model gesimuleerd. De resultaten van deze simulatie gaven goede startwaarden voor de verspreiding van de zwarte materie aan. Deze startwaarden waren dan weer de basis voor de concrete simulaties van de donkere materie zelf. In deze simulaties wil men 48
Figuur 1 Voorbeeld van de simulatie van donkere materie. Door steeds meer in te zoomen worden de netwerken heel duidelijk. vooral bepalen hoe de verspreiding van donkere materie verloopt. Het is namelijk zo dat tot ongeveer 300 000 jaar na de Big Bang de donkere materie ongeveer gelijkmatig verspreid was. Slechts op bepaalde plaatsen waren er kleine fluctuaties. Deze fluctuaties hebben dan bepaald hoe de donkere materie zich verder heeft verspreid tot er een soort van net van donkere materie is gevormd. Daarom is het precies dit dat moet gesimuleerd worden. Hier is men ondertussen in geslaagd en men heeft kunnen bestuderen hoe en waar halo’s onstaan, evolueren en eventueel versmelten. Deze halo’s zijn van uiterst belang omdat ze meestal het centrum van een sterrenstelsel vormen.
genoemd. In deze methode is het de bedoeling dat stapsgewijs nieuwe simulaties worden gemaakt van een sterrenstelsel. De eerste simulatie bekijkt alles vrij globaal. Dan wordt een nuttig gebied van de simulatie geselecteerd en een nieuwe simulatie wordt gemaakt met dit gebied. In elke stap wordt dus de resolutie groter en de fysische fenomenen steeds realistischer. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt om de dynamica van individuele sterrenstelsels te bekijken, maar inzoomen tot individuele sterren is eventueel ook mogelijk. De tweede manier wordt de semi-analytische methode genoemd. Deze simulatie verloopt hand in hand met simulaties van donkere materie en probeert te achterhalen hoe verschillende sterrenstelsels zich kunnen vormen. Er wordt echter geen informatie verkregen over de dynamica van individuele sterrenstelsels. Daarom is de zoom-methode hierop de ideale uitbreiding. Een voordeel van deze methode is wel dat het heel goede resultaten geeft op vlak van de evolutie van sterrenstelsels, zelfs over een heel lange tijdsperiode. Het probleem stopt natuurlijk niet bij het analyseren van afzonderlijke sterrenstelsels. Er moet ook een groter beeld gevormd worden waarin de informatie van verschillende stelsels samenkomt. Om deze reden is de globale manier ontwikkeld. In dit soort simulaties is opnieuw de donkere materie van uiterst belang aangezien deze techniek voor-
Zoomen op het probleem
Nu een idee is gevormd van de zwarte materie, kan de overgang naar het simuleren van sterrenstelsels gemaakt worden. Hierbij zijn ook de allerkleinste details van groot belang. Dankzij het feit dat computers steeds krachtiger worden, is dit tot op een zeker niveau mogelijk. Vrij spontaan zijn er drie manieren van simuleren ontstaan. Elk van de manieren kan onafhankelijk behandeld worden, maar uiteindelijk zijn ze wel complementair. De eerste methode wordt de zoom-methode
Figuur 2 Voorbeeld van een simulatie waarbij een heel groot sterrenstelsel wordt gevormd. Het valt op dat ook kleinere, nabijgelegen sterrenstelsels worden opgenomen door het veel grotere sterrenstelsel.
namelijk gebaseerd is op de evolutie van donkere materie. Daarnaast is uiteraard de interactie tussen verschillende sterrenstelsels heel belangrijk. Het is belangrijk te weten dat deze manier naar heel andere resultaten op zoek is dan de vorige manieren. Met dit soort simulaties probeert men een overkoepelend beeld te schetsen. Hierbij wordt dan ruwweg onderzocht hoe, wanneer en waar het universum precies is ontstaan en hoe het verder is geëvolueerd. Precies om deze reden is dit de ideale uitbreiding op de andere manieren die veel meer naar details op zoek zijn.
De toekomst De technologie om simulaties te maken en de theorieën om de verschillende fenomenen in het universum te verklaren zijn de laatste decennia enorm geëvolueerd. Maar toch is dit zeker niet het eindpunt. Zelfs met de meest gedetailleerde simulaties is het niet mogelijk om alles correct te voorspellen. Zo blijven er heel wat vragen onbeantwoord. Hoe verloopt bijvoorbeeld de interactie tussen groeiende zwarte gaten en heel jonge sterren? Men kan ook bijvoorbeeld nog niet alles van de zogenaamde 'disk galaxies' verklaren. Ook kloppen in verschillende simulaties de verhoudingen tussen de donkere en de gewone materie niet. De enige manier om hier toch enig idee van te krijgen is momenteel door modellen op basis van analytische schattingen te gebruiken. Bovendien is de resolutie van deze modellen vrij laag. Het zijn precies dit soort modellen die nog voor grote fouten zorgen, zelfs bij de zoommethode. Hoewel verschillende simulaties niet altijd de correcte resultaten behalen, hoeft dit niet altijd slecht te zijn. Momenteel zijn de simulaties zo gesofistikeerd dat onverwachte resultaten in simulaties ook veel betekenis hebben. Deze 'fouten' zijn niet te wijten aan de simulatie op zich, maar zijn een aanwijzing voor nieuwe theorieën binnen de fysica. Nieuwe interessante vragen komen naar boven: Hoe zit het bijvoorbeeld met de verdeling van energie? Hoe kan de vorming van sterren beter voorspeld worden? Ook hier zullen dan nieuwe simulaties voor nodig zijn, totdat uiteindelijk de hele kosmos doorgrond is.
49
Waarom hebben jouw vrienden meer vrienden dan jij?
N
Van paradox tot griep bestrijding
etwerken zijn overal te vinden. Ze beschrijven communicatie, groei, kuddegedrag en andere belangrijke processen in de natuur en de gemeenschap. Deze netwerken bestuderen is uiterst geschikt om zaken te modelleren, voorspellen en te controleren. Met de toenemende computerkracht worden deze steeds effectiever.nen voorkomen.
Robin Degezelle
‘Waarom hebben jouw vrienden meer vrienden dan jij?’ Zo luide de titel van het wetenschappelijk artikel gepubliceerd in 1991 door Scott Feld. Indien we de vrienden van onze vrienden tellen, zouden de meesten van ons merken dat we gemiddeld gezien minder vrienden hebben. Dit geldt niet enkel en alleen voor je Facebook vrienden. Dit resultaat verrast sterk. Deze stelling lijkt een leuk weetje, maar het gaat dieper dan dat. Het vertelt ons iets over de diepere structuur van bepaalde netwerken. Deze kennis zou ons kunnen helpen om een griepepidemie beter onder controle te krijgen.
In een eerste oogopslag lijken sommige van die netwerken een wanordelijk systeem (Figuur 2). Maar wiskundigen, natuurkundigen en informatici kunnen in sommige speciale gevallen een zekere structuur ontdekken. Het merkwaardige is dat deze structuur niet te verklaren is door de individuele punten in het netwerk te bestuderen, maar wel het samenhangend geheel. Dit is een gedachte die steeds belangrijker wordt in de fysica. Er bestaat een vrij lange traditie in de fysica om een fysisch systeem te begrijpen vanuit haar fundamentele bouwstenen. Dit heeft tot heel succesvolle resultaten geleid. Denk maar aan de atoommodellen en de opkomst van de chemie in de vorige eeuw. Er zijn enkele fenomenen die moeilijk te begrijpen zijn door de fundamentele bouwstenen te bestuderen, maar beter te begrijpen zijn als een resultaat van een samenhangend geheel. Een voorbeeld is tijdsymmetrie. In het dagelijks leven ervaren wij tijd als een rijdende trein die richting de toekomst gaat en het verleden achter zich laat. Als we door een fotoalbum bladeren kunnen we op een of andere manier de foto’s rangschikken in de tijd (Figuur 3). Het werkwaardige is, dat bijna alle fysische theorieën, van relativiteitstheorie tot de (kwantum)mecha-nica, tijdsymmetrisch zijn. Er is geen onderscheid tussen het heden en verleden, beide zijn equivalent of gelijkwaardig aan elkaar.
Griepepidemie bestrijden Op het eerste gezicht lijkt de vraag ‘waarom heb-
Netwerken zijn overal Een netwerk kan je voorstellen als een stel punten die al dan niet via een lijn met elkaar verbonden zijn. Een voorbeeld is een vriendennetwerk. Je stelt ze voor als punten en trekt een lijn tussen die punten als ze onderling vriend zijn. Een ander voorbeeld is de Londense metro (Figuur 1). De gekleurde lijnen geven aan welke stations op welke manier verbonden zijn.
50
Netwerken komen ook in andere situaties voor. Van kabelnetwerken, verkeersnetten, de netwerken in bloedvaten tot het internet. Deze netwerken kunnen erg groot en complex zijn.
Figuur 1: Londense Metro: eenvoudig voorbeeld van een netwerk
Figuur 3: In één oogopslag kunnen we deze foto’s ordenen in de tijd
Figuur 2: Internet netwerken zijn veel complexer van structuur ben jou vrienden meer vrienden dan jij’ louter een curiositeit van academici. We gaan niet dieper in op op het hoe en waarom van die vraag, maar wel op een sterke toepassing. Stel dat er een griepepidemie uitbreekt in België. Tot enkele jaren geleden was een oplossing om in bepaalde steden en gemeenten lukraak enkele mensen te kiezen en ze te behandelen. Met de vriendschapparadox in gedachten is er een betere oplossing. We kunnen enkele mensen lukraak kiezen en we behandelen enkele van hun kennissen. Hoewel de vriendschap-paradox enkel zegt dat het gemiddelde aantal vrienden van jouw vrienden hoger ligt dat jouw aantal vrienden, zal het statistisch toch voldoende zijn om enkele vrienden van jouw vrienden te selecteren. Dit komt omdat we meerdere personen lukraak kiezen. Bij de selectie van enkele van hun vrienden, zullen die vrienden samen gerekend, meer vrienden hebben dan jezelf. Een recente studie bevestigt dat deze methode beter werkt. Onderzoekers volgden de H1N1 griep in twee groepen van studenten. De eerste groep bestond uit willekeurig geselecteerde studenten. De tweede groep bestond uit enkele vrienden van enkele studenten uit de eerste groep. Er bleek dat de griep in de eerste groep twee weken eerder piekte dan in de tweede groep. Deze techniek vormt mogelijk een basis voor eerdere detectie van een griep epidemie. Deze techniek heeft heel wat potentieel. De Spaanse griep (Figuur 4) in de jaren 1918-1919 veroorzaakte naar schatting maar liefst 20 tot 100 miljoen doden. De naam van de griep is echter misleidend. De griep stamt uit de verenigde stat51
en. Doordat steeds meer Amerikaanse troepen naar Europa kwamen, spreidde deze griep zich uit. Spanje was een neutraal land in de eerste wereldoorlog. Zij waren de eersten die schreven over deze griep in haar kranten. Vandaar de naam de Spaanse griep. De geneeskunde staat nu natuurlijk al heel wat verder, maar dit extreem voorbeeld toont aan dat een griep die zich verspreid catastrofale gevolgen kan hebben. De stelling: ‘jouw vrienden hebben meer vrienden dan jou’ is dus geen louter academische curiositeit.
misbruiken (door binnen te dringen in het computersysteem dat die processen beheert) kunnen gigantisch veel schade aanrichten. Het voorkomen van computervirussen is een grote uitdaging en is vaak erg moeilijk. Het onder controle krijgen of uitroeien van een computervirus is een alomtegenwoordig onderwerp in elk bedrijf. Computervirussen verspreiden zich op een analoge manier als griepvirussen. De besmette computers besmetten andere computers die er verbonden mee zijn. Analoog besmet een besmette mens, mensen waarmee hij of zij al dan niet direct mee in contact komt. Inzichten uit griepepidemiebestrijding helpen computervirusbestrijding en omgekeerd.
Terrorisme in moderne tijden In deze moderne tijden is er misschien nog een gevaarlijker probleem dat de kop op steekt: computervirussen. Eens een computervirus dat in jouw computer zit, kan bepaalde computertaken uitvoeren die je niet wil. Het kan bijvoorbeeld meeglurenals je je bankgegevens intikt. Het wordt nog gevaarlijker wanneer computervirussen binnendringen in bedrijven die bezig zijn met gevaarlijke processen. Denk maar aan kernreactoren of andere gevaarlijke chemische processen. Terroristen met de bedoelingen om deze processen te
Een netwerk is een eenvoudig concept dat in de meest eenvoudige systemen terugkomt. Vaak zijn de netwerken waarmee we in contact komen erg groot en complex van structuur. Denk maar aan een vriendennetwerk, ziekenhuisplanningen, verkeersnetten,… De grote uitdaging is om deze netwerken beter te begrijpen en zo geschikte oplossingen te vinden voor specifieke problemen.
Slot
Figuur 4: De Spaanse griep veroorzaakte 20 tot 100 miljoen doden wereldwijd.
Emergentie en entropie De thermodynamica (de mechanica van véél deeltjessystemen) kan beter verklaren waarom er verouderingsprocessen zijn. Deze wetmatigheid wordt vastgelegd in de tweede wet van de thermodynamica. Die stelt dat de wanorde (entropie) van een systeem enkel maar kan toenemen. Dit kunnen we met een kleine analogie illustreren. Stel je een netjes opgeruimde kamer voor. Na een week is het niet meer zo waarschijnlijk dat de kamer er nog even netjes bij ligt. Ergens is dit normaal, een opgeruimde kamer is een specifieke toestand van de kamer. Er bestaan veel meer (héél veel meer) toestanden waarbij de kamer zich in een slordige toestand bevind.
52
Een maat voor de wanorde in een systeem wordt in de fysica entropie genoemd. Het is normaal dat er abnormale zaken gebeuren. Als een kaartspel geordend zit volgens kleur en nummer, zal het héél onwaarschijnlijk zijn om het kaartspel nog eens te vinden in diezelfde toestand nadat er mee gespeeld werd. Dit proces is een eigenschap van het systeem zelf en niet van de individuele bouwblokken (hier zijn dat de kaarten). Dergelijke fenomenen no emt men ook wel emergente fenomenen. Emergentie wordt een steeds belangrijker begrip in de fysica die vaak tot nieuwe inzichten leidt die de atomische kijk aanvullen.
53
Figuur 1: schematische voorstelling van een halfgeleider
Cooperparen in halfgeleiders ontdekt
H
et is dan uiteindelijk bevestigd: het voorkomen van Cooperparen van een elektron en een gat in een halfgeleider. Zoals voorspeld door Keldysh en Kopaev in de jaren zestig, zijn onderzoekers er in geslaagd deze te vinden. Dit door het sterk exciteren van halfgeleideroxide en het opvoeren van de dichtheid van gaten en elektronen bij zeer lage temperaturen. Laurens Deprez
54
Wat is er gebeurd?
Welke deeltjes bouwen het paar op?
De onderzoekers zijn op zoek gegaan naar de mogelijkheid dat bepaalde paren zich vormen in een bepaald type materialen. Deze paren zijn zogenaamde Cooperparen bestaande uit een elektron en een gat. Wat die deeltjes precies zijn en hoe ze in het materiaal terecht komen, daar wordt later op ingegaan.De materialen zijn halfgeleiders. Het zijn isolatoren of geleiders afhankelijk van de temperatuur. Het was noodzakelijk om te onderzoeken onder welke omstandigheden deze paren zich vormen in het materiaal. Met andere woorden moet het materiaal zich op een bepaalde temperatuur bevinden of moet het zich in een welbepaalde toestand bevinden? Nadat de onderzoekers er in geslaagd zijn het materiaal in de juiste toestand te brengen, moeten ze de Cooperparen kunnen detecteren. Ook hiervoor werd een techniek bedacht. Deze is gebaseerd op de eigenschap dat de paren licht uitsturen onder bepaalde condities.
Het paar is opgebouwd uit een elektron en een gat. Het lijkt misschien vreemd om een gat als een deeltje te beschouwen maar bij het onderzoeken van halfgeleiders is dit niet zo vreemd. Indien we de geleidende eigenschappen van een halfgeleider willen beschrijven, moeten we een model van energiebandenbanden gebruiken zoals te zien op figuur 1. De elektronen bevinden zich ofwel in de valentieband ofwel in de geleidingsband. Indien de temperatuur zeer laag is, bevinden alle elektronen zich in de valentieband, elk met hun eigen plaats. Indien de elektronen, door de stijging van de temperatuur, meer energie krijgen, zijn ze in staat over te gaan naar conductieband. Aangezien ieder elektron een soort vaste plaats had in de valentieband zal er dus nu op de plaats waar een elektron zat zich een positief geladen gat bevinden. Dus nu bevinden er zich gaten en elektronen in de valentieband en dus zijn alle bouwstenen aanwezig om onze Cooperparen te vormen.
Figuur 2: toestandsdiagramma van de paren
Wanneer komen de bouwstenen van het Cooperpaar voor?
gen elkaar niet meer voelen doordat er zo veel bij elkaar zitten. Dus zullen er zich geen paren meer In het materiaal zijn enkele eigenschappen van vormen, zou men kunnen denken. Toch worden belang voor het voorkomen van de juiste deeltjes juist in deze toestand de Cooperparen gevormd. om een paar te vormen. Deze factoren zijn tem- Dit komt doordat de deeltjes in de gepaarde toesperatuur en dichtheid. De temperatuur lijkt een tand in een energiegunstigere toestand zijn dan logische factor, aangezien de eigenschappen van als ze apart zouden zijn. Dus zullen ze paren vorhalfgeleiders ook hier van afhankelijk zijn. Dich- men, want de natuur van deeltjes is om steeds in theid daarentegen is niet zo vanzelfsprekend. Bij de toestand te zijn die het minst energie bevat. de juiste dichtheid gaat het erom dat er genoeg Over het binden van deze deeltjes wordt dieper deeltjes voorkomen in een bepaald volume. Het li- ingegaan in een extra sectie. jkt vreemd dat deze eigenschap van belang is. Dit komt omdat niet alle paren die zich vormen tussen de elektronen en de gaten net de gezochte paren Het detecteren van de Cooperparen zijn. Op figuur 2 zijn de toestanden van de paren te zien in functie van de temperatuur en de dicht- Nu weten de onderzoekers dus in welke toestand heid. Op deze figuur zijn twee lijnen van groot be- het materiaal gebracht moet worden zodat de lang namelijk de zwarte volle lijn Tc en de zwarte Cooperparen aanwezig zijn. Dit is echter nog geen stippelijn de Mott-dichtheid. Deze twee lijnen experimenteel bewijs dat ze aanwezig zijn. Men delen het toestandsdiagramma op in vier delen. heeft zich gebaseerd op het feit dat Cooperparen Om de Cooperparen te bekomen moeten we een licht uit-sturen indien ze bestraald worden. Nu kan dichtheid bereikenen hoger dan de Mott-dichtheid. men dus de dichtheid in stappen opvoeren. Bij ieIndien dit niet het geval is, zullen de gevormde dere stap meetmen de lichtemissie, dan zou bij paren geen Cooperparen zijn maar enkel gebon- het overschreiden van de Mott-dichtheid een exden zijn door tegengestelde lading.excitonen. De tra bijdrage geleverd moeten worden aan de lichexcitonen worden gevormd doordat de elektronen temissie. De gemeten spectra zijn te zien op figuur en de gaten een tegengstelde lading hebben 3. Deze zijn gemeten in oplopende dichtheid van en elkaar dus aantrekken. Deze paren zijn ech- onder naar boven. De pieken groeien naarmate ter geen Cooperparen omdat Cooperparen niet de dichtheid stijgt maar de linkse kleine piek groeit enkel gebonden zijn door tegengestelde lading. sneller dan de rest. Deze piek kan enkel worden Cooperparen komen pas voor als je de dichtheid verklaard door de aanwezigheid van Cooperparlaat toenemen. Dan komt het verschijnsel van lad- en. ingsafscherming voor. Dit wil zeggen dat de ladin55
splitsen dan moet het elektron plaats nemen in de conductieband en het gat in de valentieband. Dit kan echter niet want het elektron moet dan op een plaats gaan zitten waar de energie hoger is dan de energie die het elektron bezit. Dus is het voordeliger om het paar te behouden. De paren bestaan dus omdat er geen ander alternatief is.
Figuur 4: energieniveaus waarin de apart deeltjes zich kunnen bevinden
Toekomst
Figuur 3: emissiespectrum van het halfgeleideroxide
Wat bindt de deeltjes in een Cooperpaar Indien de densiteit hoog genoeg is, dan is er slechts een kleine aantrekking door afscherming van lading. Toch komen gaten en elektronen nog in elkaarsbuurt. Ze vormen een paar aangezien ze in de laagst mogelijk toestand willen zijn. In de energiebanden hebben de elektronen en de gaten vaste plaatsen deze plaatsen hebben niet allemaal eenzelfde energieniveau. Deze plaatsen worden opgevuld van lage energie naar hoge niveaus. Door de hoge dichtheid is de valentieband helemaal gevuld en nemen de elektronen plaats in de conductieband. Een Cooperpaar heeft een energie-inhoud kleiner dan elektron-gat-Ferminiveau, zie figuur 4. Dus als een Cooperpaar wil 56
Het ontdekken van Cooperparen in halfgeleiders is niet enkel het bevestigen van een theorie van enkele decenia geleden. Het biedt ook toekomstperspectieven. Cooperparen komen immers ook voor in supergeleiders. Hoe meer kennis er is over Cooperparen dan zal men misschien ten volle begrijpen hoe hogetemperatuursupergeleiding werkt. De voordelen hiervan spreken natuurlijk voor zichzelf.
Blootleggen van verborgen structuren in een stroom Verspreiding van olie op oceanen ontdekt
O
lierampen zijn zeer natuurbedreigend. Hier zullen we ons focussen op hoe gelekte olie zich verspreidt op het oceaanoppervlak. Om die verspreiding te begrijpen zullen we op zoek gaan naar karakteristieke lijnen in de stroom, zogenaamde lagrangiaanse coherente structuren. Er zal worden ingegaan op een techniek om deze structuren in de stroom te vinden. Laurens Deprez
Wat beïnvloedt de stroming van de Monitoring oceaan? De zeestromingen kunnen vooraleerst worden opgedeeld in twee types. Namelijk de oppervlaktestroming en de stroming in diepere gebieden. De oppervlaktestroming, dit tot een diepte van ongeveer 400 meter, wordt vooral beïnvloed door de wind. Deze wind waait op een bepaalde manier door de aardrotatie en bij gevolg door het Corioliseffect. De stroming op grotere diepte wordt vooral door temperatuurs- en densiteitsverschillen bepaald. Natuurlijk gaat onze interesse hier vooral uit naar de oppervlakte stromingen van de oceanen. De olie zal zich verplaatsen aan het oppervlak van de oceaan. Dit is het gevolg van het verschil in massadichtheid, water is per volume-eenheid zwaarder dan olie.
Doordat de stroming van de oceaan door zoveel externe zaken wordt beïnvloed, is een volledig model opstellen moeilijk om niet te zeggen onmogelijk. Daarom worden de oceanen constant gemonitord, ondermeer door gebruik te maken van satellieten. Eén van deze projecten is OSCAR, near real-time global ocean surface currents. Hierbij worden de data van de satellieten, over onder andere de hoogte van de oceaan, omgezet in een vectorveld waarin de stroomsnelheden zichtbaar zijn, zoals te zien op figuur 1.
Verwerking van de data Nu we beschikken over de data van de stromen, kunnen we deze verder gebruiken. Deze data vormen een vertorveld. Dit betekent dat bij elk punt 57
Figuur 1: data gegenereerd door OSCAR een pijltje hoort dat de richting aangeeft van de stroom en zijn lengte iets zegt over de sterkte van de stroom, zie figuur 1. Het blijkt echter nuttig te zijn een wiskundige bewerking uit te voeren, namelijk de Lyapunov exponent bepalen in ieder punt. Dit zorgt ervoor dat het vectorveld wordt omgezet naar een scalair veld. Dit betekent dat ieder punt nu overeenkomt met een getal. Deze wiskundige operatie stelt ons in staat de karakteristieke lijnen te vinden, de zogenaamde lagrangiaanse coherente structuren, door de maxima te verbinden. Dit kan nu worden toegepast op een bepaalde stroom. Indien we vertrekken van een stroom, zie figuur 2, dan wordt na de omzetting naar het scalair veld figuur 3 bekomen. De maxima verbinden legt de structuur van de stroom bloot.
Figuur 3: stroom voorgesteld door scalair veld
Verspreiding van de olie Nu hebben we een techniek om de lagrangiaanse structuren te vinden. Deze structuren hebben bepaalde eigenschappen die nuttig zijn om de verspreiding van olie op het oceaanoppervlak te verklaren en te voorspellen. Deze structuren hebben als eigenschap dat er geen water stroomt van de ene kant van de lijn naar de andere. Dit zorgt ervoor dat indien er veel van deze lijnen worden gevonden, deze het oceaanoppervlak opdelen. Deze structuren bestaan in twee types, namelijk aantrekkende en afstotende. Dus het ene type zorgt voor aantrekking van materiaal en de andere voor afstoting. Zoals te zien op figuur 4 kan men na een tijd de invloed van de lijnen zien op de olie. Indien men dus over alle structuren beschikt van een groot stuk van het oceaanoppervlak, dan kan men een model opstellen voor de verspreiding van olie.
Figuur 4: lagrangiaanse coherente structuren, afstotend (rood) en aantrekkend (blauw)
Toekomst Deze techniek biedt heel wat toekomstperspectieven. Het is een belangrijke tool om rampen beter te kunnen bestrijden. Het stelt experten in staat modellen te maken die olierampen kunnen simuleren nog voor ze plaatsvinden. Als deze rampen zich dan voordoen, kan accurater worden gereageerd. Toch moet het model nog worden verfijnd, want soms worden structuren gevonden in een stroom die naderhand geen blijken te zijn. Het is dus ook nog een interessant onderwerp voor de eerder theoretische onderzoeker.
Figuur 2: stroom voorgesteld door vectorveld 58
59
gere snelheid heeft dan een vrij neutron dat men in de natuur zou vinden. Hun lage snelheid laat ze toe om langer in een meetapparaat te blijven en geeft ook de mogelijkheid om ze te vangen en er precieze metingen op te doen. Ze worden nu gebruikt in experimenten die antwoorden zullen proberen te geven over grote vragen van de kosmologie en de deeltjesfysica. In dit artikel zal besproken worden wat de neutronen precies zo interessant maakt en hoe ze gebruikt worden in experimenten.
Wanneer sterft een neutron?
Neutronen, onderzoeksmiddel van de toekomst
N
eutronen zijn de vergeten deeltjes van de wetenschap. Ze worden gebruikt in bepaalde experimenten, maar daar draait het dan niet rond het neutron zelf. Toch zijn er nu toepassingen gevonden in experimenten die, door het neutron te onderzoeken, verder inzicht geven in vragen over de big bang en de deeltjesfysica.
Een neutron heeft een vervaltijd van gemiddeld 886 seconden, oftewel 15 minuten. Dit wil zeggen dat wanneer je een verzameling vrije neutronen hebt, na 15 minuten gemiddeld de helft zal vervallen zijn naar protonen. Het probleem is dat wetenschappers de vervaltijd niet exact genoeg weten. De gekende vervaltijd heeft nog steeds een fout van 0,3% op de meting. Wetenschappers willen deze tijd nog preciezer kennen, met een precisie tot op 0,1%. Een van de grootste theorieën die deze betere vervaltijd nodig heeft is de Big Bang nucleosynthese. De Big Bang nucleosynthese is een theorie die de vorming van de atoomkernen bespreekt kort na de oerknal, hoe alle elementaire deeltjes zich vormden uit de oersoep. Vooral omdat toen de eerste neutronen ontstonden, die allemaal vrije neutronen waren en nog niet veilig gebonden in een atoomkern. Hadden de neutronen te weinig tijd gehad om zich te kunnen binden met protonen, zouden ze vervallen zijn en zouden we hier allemaal niet zijn. Ook zouden er met de betere vervaltijd astronomische metingen van het
Brecht Laperre
60
Neutronen zijn in experimenten nooit echt onderzocht geweest. Het probleem is dat een vrij neutron, één dat niet gebonden is in een kern, een snelle vervaltijd heeft. Na een 10-tal minuten valt het vrije neutron uiteen in een proton samen met wat andere elementaire deeltjes, zoals te zien in figuur \ref{neutronverval}. Ze hebben wel hun toepassingen, zoals bijvoorbeeld in een kernreactor om een kettingreactie te laten ontstaan tussen de uraniumatomen. Ook worden ze gebruikt bij verstrooiingsexperimenten, waarbij ze geschoten worden op een materiaal om zo meer te weten
te komen over de structuur van dat materiaal. Ze kunnen niet gebruikt worden in een deeltjesversneller, zoals in CERN, vermits ze geen lading hebben. Maar het feit dat ze geen lading hebben, zorgt er wel voor dat hun omgeving, zoals bv een elektrisch veld, de neutronen niet gaat beïnvloeden. Hierdoor kunnen er zeer precieze metingen mee worden gedaan. Er zijn nu nieuwe experimenten bedacht die het neutron een heel nieuwe rol zullen geven, in het bijzonder neutronen met een zeer lage temperatuur. Het voordeel van een neutron met een lage temperatuur, is dat het een veel la-
Apparaat gebruikt om neutronen in te vangen.
Vervalelementen van een neutron.
heelal veel preciezer worden.
Vangen van koude neutronen Natuurlijk moeten er dan experimenten gedaan worden die het toestaan om veel nauwkeuriger te kunnen meten. De methode die het eerst gebruikt werd om de vervaltijd te meten, is door middel van trage neutronen. Trage neutronen zijn neutronen die afgekoeld zijn tot een welbepaalde temperatuur. Hun snelheid is afhankelijk van de temperatuur, dus door ze af te koelen zullen ze veel trager zijn dan neutronen die je normaal in de natuur tegenkomt. Door te kijken naar een aantal trage neutronen en te meten hoeveel protonen er ontstaan uit het verval, hebben wetenschappers zo de gemiddelde vervaltijd kunnen bepalen. Die tijd is gemiddeld 886 seconden. De methodes die nu gebruikt zullen worden, moeten een betere precisie geven op de meting. Een van de nieuwe manieren is door neutronen op te sluiten in een ‘fles’. Maar om te maken dat de neutronen niet ontsnappen of reageren met enig materiaal, moeten ze traag genoeg zijn. Hiervoor zijn gewone trage neutronen niet voldoende en zijn ultra-cold neutrons of UCN’s nodig. UCN’s zijn neutronen die afgekoeld zijn tot -270°C , dicht bij het absolute nulpunt. Deze neutronen zijn zo traag dat in plaats van te reageren met een materiaal, ze gewoon ertegen botsen en terugkeren, als een bal die je tegen een muur gooit. Door een aantal neutronen op te sluiten kan men dan gewoon het aantal vervallen bekijken in functie van de tijd en zo de vervaltijd te meten.
61
Lijkschouwing van een vervallen neu- Vervallen naar een ander universum tron
Het opsluiten van UCN’s in een fles heeft ook nog Naast het bekijken van de vervaltijd, kunnen ook een ander nut naast het meten van de vervaltijd. de producten van het verval van een neutron geb- Er bestaat een theorie die zegt dat er meerdere ruikt worden in experimenten. Wanneer een neu- universa bestaan, en dat die zich parallel aan ons tron uiteen valt in een proton samen met andere universum zouden kunnen bevinden, maar dan in elementaire deeltjes, hebben die allemaal nog en- een andere dimensie. Nu heeft Michael Sarrazin ergie. Door die te meten, kan er verklaard worden een theorie gevonden die suggereert dat protonen waarom er in de deeltjesfysica niet altijd symme- en neutronen onder de juiste omstandigheden trie is. Een voorbeeld van zo’n asymmetrie is tus- zouden kunnen springen naar een van die andere sen materie en anti-materie. Na de Big Bang moet universa. Dit proces noemt ‘matter swapping’, of er een gelijke hoeveelheid materie en anti-materie ‘materieuitwisseling’. Nu blijkt dat er in ons melkzijn ontstaan. Dit is bevestigd met experimenten, wegstelsel aan die voorwaarden wordt voldaan, er wordt namelijk altijd een gelijke hoeveelheid waardoor de naar matter swapping gezocht kan materie en anti-materie gecreëerd. Maar die an- worden hier op aarde. Een van die experimenten ti-materie vinden we nu niet meer terug in ons uni- is door UCN’s op te sluiten in een fles gemaakt versum. Het was Andrei Sakharov die een theorie van magnetische velden. De snelheid van het neuontwikkelde die de onbalans zou verklaren. De tronverval zou dan verklaard kunnen worden door theorie vraagt om drie criteria die nodig zijn vlak na neutronen die wegspringen van ons universum de Big Bang om van een balans naar een onbal- naar een ander. De kans dat het gebeurt is zeer ans in materie en anti-materie over te gaan. Twee klein, maar dat betekent niet dat het niet gebeurt. van deze criteria kunnen onderzocht worden door Er zijn nu experimenten bezig die het fenomeen te kijken naar de producten van neutronverval. onderzoeken. Deze experimenten worden gedaan in het Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankrijk. Zwaartekracht, meer dan dat het lijkt.
gravitatie samen met krachten tussen atomen.
En dit is nog lang niet alles... We kunnen dus concluderen dan neutronen inderdaad zeer interessante deeltjes zijn om te onderzoeken. Ze worden gebruikt om grote vragen van de kosmologie op te lossen, nieuwe soorten krachten te ontdekken en zelfs misschien het bevestigen dat er inderdaad meerdere universa zijn. Maar daarbij stopt het niet. Er zijn nu ook al onderzoeken bezig die meer informatie zullen geven over quarks, de deeltjes die protonen en neutronen opbouwen. Er kan nog veel geleerd worden van neutronen.
De zwaartekracht is een van de zwakste krachten in het universum in vergelijking met alle andere soorten krachten, zoals bijvoorbeeld elektromagnetische kracht. Zie maar hoe een kleine magneet al snel een zwaar object op kan liften, of hoe de Maglev trein in Japan zweeft over de sporen door middel van magneten. Wetenschappers denken dat de zwaartekracht zo zwak is omdat het gravitatieveld zou ontsnappen in extra dimensies van de ruimtetijd-continuüm op zeer kleine afstanden, in de orde van micrometer. Wetenschappers geloven dat er zich nieuwe interacties tussen deeltjes zou voordoen op afstanden van 100 micrometer in een gravitatieveld. Dit komt uit het analyseren van de dichtheid van donkere materie. De manier waarop dit getest wordt, is door een neutron af te koelen zodat deze zeer weinig energie heeft en deze dan boven een speciale spiegel te laten zweven. Door de lage energie zal het neutron 10 micrometer boven de spiegel zweven. Enige non-standaard veranderingen van de energie van het neutron zou dan komen door interactie van 62
63
