Een oerknal uit het ondergrondse

januari 8, 2011

Wetenschappers van het Europese onderzoekscentrum voor deeltjesfysica CERN zijn erin geslaagd om een kleine oerknal te veroorzaken, die doet denken aan de omstandigheden waarin ons universum werd gevormd, intussen alweer zo’n 13,5 miljard jaar geleden. “Een soep van tien biljoen graden”,  luidden de krantenkoppen, terwijl onheilsprofeten op het internet waarschuwden voor de vorming van zwarte gaten en de nakende ondergang van de wereld. De soep wordt zelden zo heet gegeten als zij wordt opgediend, maar de signalen die ons vanuit Zwitserland bereiken zijn niettemin belangwekkend.

Een tros subatomaire druiven

De bollebozen in Genève willen een beter inzicht verwerven in de opbouw van de materie en het ontstaan van het heelal. Voor zover wij weten, is alle materie opgebouwd uit talloze moleculen (zoals water), die op hun beurt bestaan uit atomen (zoals waterstof en zuurstof). Een atoom bestaat dan weer uit een kern, waarrond een wolk zweeft van rozijnen, die in nucleaire middens beter bekend staan als elektronen. En een atoomkern oogt als een microscopische tros druiven, waarbij de groene druiven protonen worden genoemd, en de rode neutronen heten. Atoomgeleerden zijn er echter van overtuigd dat ook die subatomaire druiven opgebouwd zijn uit nóg kleinere elementaire deeltjes die zij quarks noemen. Zij hebben ingewikkelde theoretische modellen ontwikkeld om de structuur van de materie te kunnen beschrijven, maar missen tot op heden het broodnodige experimentele bewijs om hun atomaire yoghurt te kunnen staven.

Een katapult voor elementaire deeltjes

Quarks laten zich moeilijk meten, maar ze zijn dan ook reusachtig klein. Bovendien heersen binnen een atoomkern ontzagwekkend sterke krachten, die de hele fruitsla bij elkaar houden. Om het bestaan van quarks aan te tonen, heb je dus nood aan een heel hoge energie (om de druiven uit elkaar te trekken) en uiterst gevoelige sensoren (om de vrijgekomen druivenpitten te kunnen detecteren).

Om zulke elementaire deeltjes te bestuderen, is ter hoogte van de Frans-Zwitserse grens het meest ambitieuze wetenschappelijke experiment sinds mensenheugenis geïnstalleerd: de Large Hadron Collider (LHC). Die constructie bestaat uit een ringvormige tunnel met een omtrek van 27 kilometer, die zich honderd meter onder de grond bevindt. Een volledige omloop zou voor een doorsnee onderzoeker een dagtocht vergen – met een picknick ter hoogte van pi – maar de deeltjes die zij bestuderen leggen dat traject meer dan 10 000 maal per seconde af. De Large Hadron Collider is dan ook een deeltjesversneller, waar protonen onder impuls van magnetische velden een ontzettend hoge snelheid bereiken.

De installatie werd reeds in de herfst van 2008 in gebruik genomen, maar bleek aanvankelijk behept met allerhande kinderziekten. De kwalen varieerden van defecte transformatoren over lekkend helium tot gesmolten supermagneten. Op internetfora circuleerde zelfs het bericht dat een indringer -niet toevallig begin april- had gepoogd de opstelling te saboteren. De man bleek verward, en bleef beweren dat hij uit de toekomst kwam. Maar inmiddels zijn alle defecten hersteld, en raakt de Large Hadron Collider op kruissnelheid. En voor een deeltjesversneller betekent dit: de lichtsnelheid.

De Big Bang in het klein

Eind 2010 werden protonen in tegengestelde richtingen versneld tot zij bijna de magische grens van de lichtsnelheid (nagenoeg 300 000 kilometer per seconde) bereikten. Vervolgens werden die ultrasnelle bundels protonen frontaal tegen elkaar geslingerd. Zulke kosmische botsingen gaven aanleiding tot de vorming van uiterst condense en bloedhete materie, die vergelijkbaar is met de aard van het universum vlak na de Oerknal of Big Bang. Naderhand zijn de protonen vervangen door zware loodkernen, die ook neutronen bevatten. Bij die botsingen komt nóg meer energie vrij, en worden allerhande elementaire deeltjes weggeslingerd. De eerste experimenten laten uitschijnen dat gedurende een heel korte tijd een plasma van quarks wordt gevormd, bij een temperatuur die honderden keren hoger ligt dan in het centrum van onze zon.

Thermodynamische schizofrenie

Vanuit thermodynamisch standpunt is dat een hoogst schizofrene toestand: de supermagneten van de deeltjesversneller worden immers afgekoeld tot dicht bij het absolute nulpunt (zo’n 273 °C ónder het vriespunt), terwijl binnenin het plasma de hoogste temperatuur heerst die ooit werd bereikt sinds de vorming van ons Heelal. Maar ook op andere fronten vormt de LHC een clash in dimensies: zo is een tunnel van maar liefst 27 kilometer nodig om protonen te versnellen die een miljard keer kleiner zijn dan een duizendste van een millimeter, en worden sensoren van ruim 10 000 ton ingezet om elementaire deeltjes te detecteren waarvan nog niet eens ondubbelzinnig duidelijk is of ze wel een massa hebben.

De op handen zijnde experimenten in het CERN oogsten ook heel wat controverse. Onheilsprofeten voorspellen immers dat tijdens de testen zwarte gaten kunnen vormen, die de aarde zullen vernietigen. En hoewel de wetenschappers in Genève goochelen met lichtsnelheden, zal het zo’n vaart niet lopen. Maar als de analyse van de resultaten hun theoretische vermoedens bevestigt, dan herbergen deze experimenten wel het potentieel om de fysica op haar grondvesten te laten daveren.

© 2011 – Labo Vekalie

Advertenties

Wat als de olie op is?

oktober 29, 2010

November nadert met de koude adem van december reeds in de nek: het wordt vroeg donker, en de temperatuur neigt naar het vriespunt. De hoogste tijd dus om de gaskachel open te draaien of de mazoutketel opnieuw te vullen. Maar wat als de olie op is? Hoe gaan we ons dan verwarmen en waarop gaan oze auto’s rijden? Kunnen kerncentrales ooit volledig veilig zijn, en hoe groen zijn zonnepanelen of windmolens? We doen een boekje open over energie!

Is het vat bijna leeg?

De oliereserves vertegenwoordigen een historisch kapitaal, dat wij momenteel aan een razende vaart verstoken. Momenteel bedraagt de wereldwijde vraag naar olie 85 miljoen vaten per dag. Per dàg! Die sloten petroleum zijn vooral nodig voor transport en industrie, maar worden ook aangewend voor residentieel gebruik en het opwekken van elektriciteit. Aan het huidige tempo raken de olievoorraden binnen 50 jaar uitgeput. Daarna resten ons nog alternatieven zoals teerzanden, ultrazware olie of biobrandstoffen. In laboratoria wordt reeds olie gewonnen uit kippenvet, zonnebloemolie, algen of zelfs gras! 

Aardolie

Wanneer de olie op raakt, zijn er nog grote aardgasreserves voorhanden. Er is nog voldoende olie voor onze kinderen, en genoeg gas voor onze kleinkinderen. Bovendien zijn nog reusachtige voorraden steenkool beschikbaar. Kolen zijn echter erg belastend voor het milieu, vooral door de uitstoot van CO2. De Leuvense stoof draagt dus ook bij tot de opwarming van de aarde… Kortom, vroeg of laat moeten we fossiele brandstoffen als energiebron verlaten.

Wat is de kern van het probeem?

Nucleaire energie staat momenteel in het brandpunt van een maatschappelijk debat. Door het splitsen van atoomkernen kan veel meer energie worden opgewekt dan bij de verbranding van fossiele brandstoffen, en wordt geen CO2 uitgestoten. Kerncentrales dragen dus niet bij tot de opwarming van de aarde.

 Kernsplitsing aan de hand van een gecontroleerde kettingreactie

Langs de andere kant hebben kernrampen zoals de ontploffing in Tsjernobyl wel mogelijke veiligheidsrisico’s blootgelegd. En ook het radioactief afval is uiteraard een blijvende bron van bezorgdheid. Kernfusie -waarbij ontzagwekkend veel energie vrijkomt en slechts weinig radioactief afval- klinkt misschien als muziek in de oren, maar het blijft vooralsnog bij vage toekomstmuziek… 

Wat winnen we met wind?

En wat met hernieuwbare energiebronnen: voor niets komt toch de zon op? Zonnepanelen en windmolens hebben potentieel, maar kunnen vandaag amper 1% van de wereldwijde vraag naar energie dekken. Schaalvergroting is dus noodzakelijk wanneer hernieuwbare energie de aardolie moet vervangen. Waterkracht en biomassa zullen hierbij een belangrijke troef zijn.

Wereldwijde energieconsumptie volgens energiebron

Bovendien levert bio-energie niet louter groene stroom, omdat vele alternatieven ook belastend zijn voor het milieu. Het productieproces van zonnepanelen vreet energie, en windmolens zijn evenmin CO2-neutraal. Dé energiebron van de toekomst wordt alleszins efficiëntie: een rationeel en duurzaam energieverbruik biedt de beste garantie op nog vele warme winters!

© 2010 – Labo Vekalie

Einstein in de wastrommel

september 28, 2010

Het is een bekend maar niettemin bizar fenomeen: als je de wasmachine opent, zitten alle sokken, hemden en t-shirts in het bedovertrek verstopt. Hoe komen zij daar terecht, en valt dat te vermijden? En wat heeft Einstein te maken met wastrommels? We weten dit varkentje gauw te wassen!

Sokken hebben schrik van water

Bijna iedereen weet uit ervaring dat er oorspronkelijk méér sokken in de wasmand lagen dan er uit de wasmachine komen: onvermijdelijk raken enkele kousen zoek. Dat is de elementaire wiskunde van de was. Sommige astrofysica menen zelfs dat de ringen van Saturnus opgebouwd zijn uit talloze verloren sokken!

Meestal komen de verloren gewaande sokken pas dagen of weken later dagzomen ter hoogte van je koude voeten: net als hemden en t-shirts hebben zij immers de neiging om zich tijdens het wassen in het bedovertrek te verstoppen. Hebben sokken schrik van water, of is er meer aan de hand?

De wasmachine als sapcentrifuge

De voornaamste verklaring schuilt in de beweging van de wastrommel. Tijdens een wasprogramma draait de machine hoofdzakelijk in één richting. Om de was te scheiden, draait de wastrommel echter heel af en toe plots in de andere richting. Tijdens die abrupte beweging botst al het water met grote kracht tegen het wasgoed, waardoor het bedovertrek open komt te liggen. De sokken en hemden hebben dan de kans om daarin te verdwijnen.

Vervolgens gaat de wasmachine centrifugeren. Door die snelle rotatie wordt het water naar buiten geslingerd. Dat is ook de reden waarom je niet nat wordt als je een volle emmer heel snel ronddraait: de zogenaamde centrifugale of middelpuntsvliedende krachten zorgen ervoor dat het water weggeslingerd wordt, en dus niet uit de emmer kan stromen. Op die manier raakt ook de was steeds dieper gevangen in het bedovertrek, en kan het dus niet meer ontsnappen. In de fysica spreekt men dan van een lokaal minimum. Op latere leeftijd begon Albert Einstein zelf op een ouwe sok te lijken

 De natuurkundige verklaring achter dit wasspektakel wordt de Brownse beweging genoemd. Dit is een tak van de chaostheorie die het grillige gedrag van opgewonden atomen in een gas of een vloeistof beschrijft. Dezelfde theorie kan ook verklaren waarom sokken zich laten vangen door een dekbedovertrek, waaruit zij dan niet meer kunnen ontsnapen. De Brownse beweging werd trouwens bewezen door Albert Einstein, die op latere leeftijd zelf sterk op een verloren sok begon te lijken…

En wat als je dolgedraaid raakt?

De remedies voor bovenstaand probleem liggen voor de hand: zorg ervoor dat het dekbedovertrek de sokken en hemden niet kan verslinden. Een eenvoudige oplossing bestaat erin de hoes dicht te knopen of reeds vol te proppen met bvb. hoofdkussens. Een alternatief is om de kleine was (zoals sokken) op voorhand te vangen in lingerienetjes, zodat ze nooit meer zoek kunnen raken. Een derde optie is om de was strikt te scheiden: een trommel met louter beddegoed, en daarna een machine gevuld met hemden, sokken en t-shirts. Op die manier met de fysica het onderspit delven voor jouw scheikunde…!    

© 2010 – Labo Vekalie

Heksenketels en luchtspiegelingen

augustus 29, 2010

We kennen allemaal wel die bibberende beelden boven een gloeiend hete tarmac, waardoor het lijkt alsof er olie op de landingsbaan ligt. Maar waar komt zo’n Fata Morgana plots vandaan? En is het slechts een geintje van onze hersenen, of daadwerkelijk een fysisch fenomeen? We spiegelen je meteen de antwoorden voor!

Fata Morgana is een heks

De term fata morgana is ontleend aan het Italiaans, en verwijst naar Morgan le Fay, de hogepriesteres uit de overlevering van koning Arthur. Zij zou luchtspiegelingen veroorzaken in de Straat van Messina, voor de kust van Sicilië. Een verklaring voor die legendes over vliegende kastelen en schepen die nooit de kust konden bereiken, kan echter gevonden worden in… de fysica, uiteraard!

Gloeiend asfalt werkt als een lens

Het ontstaan van een fata morgana of luchtspiegeling bij bv. gloeiend heet asfalt valt te verklaren door het grote verschil in temperatuur. De dunne, warme luchtlaag dicht bij de grond heeft andere eigenschappen dan de koudere, hoger gelegen luchtlagen. Hierdoor kunnen lichtstralen afgebogen worden, waardoor het asfalt eigenlijk fungeert als een lens. In de optica spreekt men van refractie, omwille van een verschil in brekingsindex. Dat klinkt misschien ingewikkeld, maar je kunt dit verschijnsel ook waarnemen wanneer je een rietje in een glas water stopt. Door het verschil in brekingsindex tussen de lucht en het water lijkt het rietje te verschuiven.

Door het verschil in brekingsindex tussen de lucht en het water lijkt het rietje te verschuiven

Bij de warme en koude luchtlagen boven het asfalt gebeurt net hetzelfde, waardoor de lucht weerspiegeld wordt op de grond. Onze hersenen kunnen dat moeilijk begrijpen, en denken daarom dat er olie op de startbaan ligt.

Een oase van bedrog

Een fata morgana in de woestijn is een combinatie van zo’n luchtspiegeling met een verregaande vorm van zinsbegoocheling. De refractie van een staalblauwe hemel en dorre rotsen lijkt voor een dorstig oog inderdaad algauw op een weelderige oase met dito oeverbegroeiing. Hallucinerende pelgrims denken een meer te zien, en dromen daar graag palmbomen bij. De bevreemdende luchtspiegelingen versterken hun waan, waardoor zij beginnen geloven in cactussen met kraantjes waaraan zij hun dorst willen laven.

Een fata morgana in de woestijn is een combinatie van luchtspiegeling en zinsbegoocheling

Superieur of inferieur?

De meest voorkomende fata morgana is een zogenaamde inferieure (of neerwaartse) luchtspiegeling, zoals hierboven verklaard. Het omgekeerde fenomeen (een superieure, of bovenwaartse fata morgana) kan echter ook optreden, maar is zeldzamer. Hiervoor moet de onderste luchtlaag  immers kouder zijn dan de hoger gelegen luchtlagen. Zo’n temperatuursinversie is ongebruikelijk, maar kan voorkomen in ijsrijke gebieden. Bij een superieure fata morgana worden de lichtstralen in de andere richting afgebogen, waardoor je voorwerpen kunt waarnemen die eigenlijk achter de horizon verborgen zijn!

Het kan bovendien het wedervaren van poolreizigers verklaren die met stellige zekerheid beweren vliegende schepen te hebben gezien. De zeemansverhalen over zingende inktvissen, naakte zeemeerminnen en dansende demonen vallen echter tot nader order toe te schrijven aan het buitensporig gebruik van rum of andere geestesrijke drank… 

© 2010 – Labo Vekalie

Wetenschap in de wolken

juli 14, 2010

Een zomeravondzicht toont vaak wondermooie wolken, van schaapjes over stapelwolken tot sluiers in wit en blauw. Vanuit het vliegtuig, op weg naar de vakantiebestemming heeft iedereen wel eens het verlangen gekoesterd om op zo’n zijdezachte wolk neer te ploffen. Maar hoe werken wolken? Waar komen de verschillende types en vormen vandaan? En waarom kondigt de ene wolk een regenbui aan, terwijl de andere een zalige zomeravond belooft? We ontsluieren hieronder de waarheid achter de nevels!

Een wolk bestaat uit waterdamp

Wanneer het warm is, zal het water uit de zee, rivieren en beken verdampen, en opstijgen als waterdamp. Op grote hoogte koelt de waterdamp af, en condenseert opnieuw tot fijne waterdruppeltjes. Een wolk is dus eigelijk een verzameling van kleine druppeltjes, waterdamp en soms zelfs ijskristallen. In fysische termen is een wolk een subtiel evenwicht tussen temperatuur, druk en luchtvochtigheid; maar je kunt er dus niet op lopen.

Wolken volgens vorm en hoogte

Wanneer de weerman stapelwolken voorspelt, en daarbij spreekt van stratocumulus, klinkt dat wellicht als Latijn in de oren. Het ís ook Latijn, en drukt het type wolk uit in functie van de vorm en de hoogte. Meteorologen onderscheiden bij het klasseren van wolken ruwweg vier vormen. Zo is nimbus de typische regenwolk, zoals wij die in Vlaanderen te vaak moeten dulden. De wijd verspreide vegen in de lucht heten stratus, terwijl de dansende plukjes witte dons cirrus worden genoemd. De schapewolkjes, die doorgaans kindertekeningen sieren, staan dan weer gekend als cumulus.

Naargelang de hoogte waarop de wolk zich bevindt, onderscheidt men laaghangende (strato), middelhoge (alto) en hoge (cirro) wolken. Vertikale wolkenformaties, die zich over grote hoogtes kunnen uitstrekken, worden aangeduid met de term nimbo. De combinatie van de hoogte en de vorm verklaart de exotische termen uit het weerbericht. Zo lijkt bijvoorbeeld een cirrostratus op een melkwit deken, terwijl een cumulonimbus dan weer donder en bliksem aankondigt.

Wolk

Welke wolken worden neerslag?

Hoewel alle wolken dezelfde samenstelling hebben, en dus grotendeels uit waterdamp bestaan, leiden sommige wolken tot tempeest, terwijl andere enkel aan Mickey Mouse doen denken. Het verschil tussen een zwoele zomeravond en een natte plensbui schuilt in wat meteorologen precipitatie noemen, maar wij gewoon als neerslag kennen.

In een wolk condenseert de waterdamp tot een nevel van hele fijne druppeltjes. Indien die dansende druppeltjes samensmelten en voldoende kritische massa bereiken, zullen zij onder invloed van de zwaartekracht naar beneden vallen, en worden dus niets anders dan regen. Als de regendruppels onderweg afkoelen en bevriezen, krijgen we een hagelbui te verduren. En condenseert waterdamp meteen tot ijskristallen, dan dwarrelen sneeuwvlokken neer, zoals hier reeds werd uitgelegd.

Het samenklitten van kleine druppeltjes tot regen of hagel wordt versneld door de aanwezigheid van nucleatoren, zoals stof, zeezout of roet. Voor fruittelers en wijnbouwers is dit een beproefd recept: als een medicijnman schieten zij moedwillig grote stofwolken in de lucht om regen af te dwingen, of net om grote hagelbuien te voorkomen.

Wolken in vogelvlucht

In een notendop: wolken bestaan uit waterdamp, en hun benaming hangt af van hun vorm en de hoogte in de atmosfeer. Je kunt er niet op lopen, maar je mag er wel bij wegdromen. En zodra het vliegtuig landt op je vakantiebestemming, ben je -met een cocktail in de hand en een zonnebril in de haren- meteen helemaal in de wolken!

Cloud

© 2010 – Labo Vekalie

Een rad voor de ogen

maart 5, 2010

In de bioscoop kunnen we ons vergapen aan de special effects van de huidige blockbusters. Het gekletter van huifkarren in een klassieke Western spreekt tot de verbeelding, en ook de razendsnelle achtervolgingsscènes in de weekendfilm zijn vaak indrukwekkend. Maar soms lijkt het wiel achterwaarts te draaien, terwijl de wagen vooruit rijdt… Hoe kan dat? Is er met de camera geknoeid, of valt dat optisch te verklaren? Onderstaand artikel opent je ogen!

Een tekenfilm is een vliegensvlug stripverhaal

Een wiel dat achteruit draait, terwijl de wagen voorwaarts snelt: dat bestààt niet. De wetten van de fysica zijn hierover loepzuiver en onverbiddelijk. Indien je zoiets ziet, zit je dus in de cinema of voor de televisie. Een film is immers een snelle opeenvolging van allemaal afzonderlijke beeldjes of frames. Een televisie toont 50 beeldjes per seconde, terwijl een film doorgaans bestaat uit 24 frames per seconde. Vor een animatiefilm van anderhalf uur moeten dus meer dan 125 000 tekeningen worden gemaakt! Het aantal beeldjes per seconde wordt frame rate genoemd.

Het kleefvermogen van onze ogen

Bovendien zijn onze ogen van nature uit lui. In de optica spreekt men van retinale persistentie, en in mensentaal over het kleefvermogen van onze ogen. Dit betekent dat ieder beeld bijna letterlijk op ons netvlies wordt gebrand. Wanneer we de ogen sluiten, blijven we het laatst gevormde beeld nog een fractie van een seconde zien. Het was de Gentse geleerde Joseph Plateau die ontdekte dat het beeld nog ongeveer een tiende van een seconde blijft hangen. Als we méér dan tien gelijkaardige beelden per seconde te zien krijgen, ervaren wij dit als een vloeiende beweging.

Een rad voor de ogen draaien

Een film is dus een razendsnel beeldverhaal, terwijl onze ogen lui zijn. Deze twee vaststellingen brengen ons dichter bij een verklaring voor het losgeslagen wiel. Neem nu een eenvoudig karrenwiel met identieke spaken dat draait in wijzerzin, zoals op onderstaande figuur:

 

Onze verwarde hersenen draaien ons een rad voor de ogenAls het wiel vier seconden nodig heeft voor één volledige omwenteling, en we nemen iedere seconde een foto, dan zouden we telkens hetzelfde beeld zien. Met andere woorden: als de omwenteling-snelheid van het wiel gelijk is aan de frame rate van de film, denken we dat het wiel stilstaat!

Maar wat gebeurt er nu als het wiel ietsje trager draait?  De linkse spaak, die we even groen hebben geverfd, is dan iets minder dan een kwartslag gedraaid. Voor onze hersenen lijkt het echter alsof de bovenste spaak een klein beetje naar links is bewogen. Wij interpreteren die opeenvolging van beelden dus als een wiel dat achterwaarts draait! Afhankelijk van de snelheid, zien wij op televise of in de film dus een vertraagde rotatie, een stilstaand wiel of zelfs een wiel dat achterwaarts draait. Het zijn onze verwarde hersenen die ons een rad voor de ogen draaien…

© 2010 – Labo Vekalie

Wetenschappelijk witwassen van juwelen

februari 2, 2010

In deze tijden van crisis zijn onze gouden juwelen of dat unieke zilveren servies een heel kostbaar bezit. Maar waarom wordt zilver na verloop van tijd dof, en lijkt goud te verkleuren? Hoe houdt dat alles verband met oxidatie? Kun je die sieraden nog reinigen, en kan de chemie je daarbij helpen? We poetsen je geheugen graag even op!

Yzer roest, en edelmetaal oxideert

Zilveren juwelen kunnen chemisch reageren met stoffen uit hun omgeving, waardoor ze dof en donker worden. Dat fenomeen is veel beter bekend bij ijzer, dat na verloop van tijd gaat roesten. Omdat metaal reageert met zuurstof, verandert je fiets na verloop van tijd in een roestbruin vehikel. Zuurstof is in grote mate aanwezig in de lucht, maar ook in water, dat corrosie dus in de hand werkt.  Als een metaal reageert met zuurstof spreekt men van oxidatie.

Zilver kan oxideren, maar het is vooral onder invloed van verontreinigingen dat blinkende juwelen mat worden.  Zo zal zilver reageren met je parfum, het zweet op je huid, of zelfs het zeezout in de lucht. De voornaamste boosdoener is echter zwavel: als je een zilveren lepeltje in een ei laat steken, wordt het binnen de kortste keren gitzwart. Die donkere korst is zilversulfide, dus een chemische verbinding van zilver met zwavel.    

Zilver wordt zwart, terwijl goud verkleurt

Goud reageert nooit met de lucht, en zal dus niet oxideren. Niettemin lijken gouden sieraden soms ook een bruine of rode tint te krijgen. De verklaring voor deze verkleuring schuilt in het feit dat zuiver goud te zacht is om juwelen te smeden. Daarom wordt goud altijd verstevigd met andere metalen zoal koper, nikkel, zilver of zink. Die metalen kunnen wél oxideren, waardoor je gouden halsband veel van haar glans kan verliezen. De hoeveelheid zuiver goud in een juweel wordt aangeduid met het aantal karaat. Hoe hoger dit cijfer, hoe meer goud in het sieraad werd verwerkt. 

Zilveren Halsketting Molecule

Grootmoeders wijze (huis)raad

Je hoeft je verkleurde ringen of het doffe bestek echter geenszins in de vuilnisbak te gooien. Een juwelier kan de oxidelaag mechanisch verwijderen door het zilver te polijsten. Vervolgens zal hij het sieraad rhodineren, dat wil zeggen dat er een beschermlaag (uit rhodium) wordt  aangebracht. Je juwelen zijn na zo’n behandeling zo goed als nieuw!

Ook onze grootmoeders hielden destijds verschillende middeltjes achter de hand om hun zilveren eetservies in ere te houden. Zo werden zwarte lepels bijvoorbeeld in citroenzuur gedoopt, of kunnen doffe vorken en messen behandeld worden met ammoniak. In de handel zijn ook verschillende soorten zilverpoets beschikbaar, die op een scheikundge manier net hetzelfde doen.

De beste oplossing om het verkleuren van gouden sieraden tegen te gaan is nog veel eenvoudiger: overtuig je man om voortaan enkel juwelen van vierentwintig karaat te kopen! 

© 2010 – Labo Vekalie

De werking van je GSM ontmaskerd

januari 3, 2010

Mobiele telefonie valt niet meer weg te denken uit ons dagelijks leven. Wij zijn altijd en overal bereikbaar op GSM, en kunnen tegenwoordig teksten, foto’s en video’s doorsturen of gewoon lieve woordjes fluisteren, waar ook ter wereld. Maar hoe werkt ons mobieltje? En is GSM-straling schadelijk voor de gezondheid? Onderstaande uitleg laat een belletje rinkelen!

Globaal Systeem voor Mobiele Communicatie

De afkorting G.S.M. staat voor ‘Globaal Systeem voor Mobiele Communicatie’, en is een communicatie-protocol. Dit betekent dat G.S.M. de spelregels voorschrijft waaronder je mobiele telefoon met zendmasten kan spreken. Het mobieltje (vaak ook “G.S.M.” genoemd) is, zoals je hieronder kunt ontdekken, eigenlijk een heel gesofisticeerde radio. En zijn straling is volstrekt onschadelijk.

Een GSM is een radio!

Een GSM is eigenlijk niets anders dan een hoogtechnologische kruising tussen een ouderwetse vaste telefoon en een radio. Inderdaad: bij een telefoon wordt je stem vervormd in een elektrisch signaal, dat vervolgens door een kabel wordt gestuurd naar de ontvanger, die het dan opnieuw omzet in trillende lucht, en dus geluid. Via zijn antenne ontvangt een radio dan weer golven, die door een zendmast worden uitgestuurd.

Een GSM combineert beide functies: het vervormt je stem (of SMS) tot een elektromagnetisch signaal, dat vervolgens uitgewisseld wordt met een zendmast. Een uitgebreid netwerk van zendmasten maakt het mogelijk nagenoeg overal ter wereld bereikbaar te blijven. De talrijke masten verdelen de aardbol als het ware in kleine cellen, vandaar ook de Engelstalige term “cel phone“. Omdat een GSM met verschillende frequenties werkt, kun je terzelfdertijd luisteren en spreken. Je kunt elkaar met andere woorden voortdurend in de rede vallen… De frequentie is het aantal maal dat een golf in een tijdspanne op en neer loopt. Onderstaande figuur vergelijkt een laagfrequente (groene) radiogolf met een (blauwe) GSM-straling, die een hogere frequentie heeft.

Liegen is ongezond

Met de regelmaat van de klok worden in de handel chips, magneetjes of stickers te koop aangeboden die de zogenaamde “kwalijke straling” van een GSM kunnen absorberen. De invloed van deze prutspleisters op je GSM is even doeltreffend als het effect van maanstenen op menstruatie: zij is onbestaande. De gewraakte GSM-straling. bestaat immers uit niets anders dan elektromagnetische golven, net zoals de golven van je radio, je magnetron of … zonlicht. De intensiteit van deze golven is bij een mobieltje dermate gering dat zij volstrekt onschadelijk is. Bovendien zou een sticker die de straling kan absorberen je GSM meteen onbruikbaar maken! Ook wie dicht bij een zendmast woont, hoeft niets te vrezen: het meest bezwarende wetenschappelijk bewijs tot op heden is een meting van een uiterst lokale temperatuursstijging ten belope van … 0,01°C. Kortom: wie urenlang in een GSM emmert, loopt meer kans op hersenschade door de inhoud van de gesprekken, dan door het gebruik van het toestel.

© 2010 – Labo Vekalie

Koorddansen op de kennisgrens

augustus 28, 2009

In zijn meest naakte essentie is wetenschap het bestendig laven van de dorst naar kennis. Onderzoekers stellen systematisch àlles in vraag, en dulden daarbij geen dogma’s. Wetenschappelijk onderzoek vergt derhalve een voortdurend vorsen naar waarheid, en een soms delicaat koorddansen op de kennisgrens. Onderstaand artikel geeft een summier overzicht van de stand van zaken in de diverse takken van de wetenschap, en de grootste uitdagingen voor de toekomst.

Man on Wire

 

Fysica als moeder van alle wetenschap

Fysica of natuurkunde is de moeder van alle wetenschappen, en hanteert de wiskunde als taal om haar theorieën vastere vorm te geven. De klassieke mechanica beschrijft bv. de baan van de planeten in ons zonnestelsel, voorspelt het traject van een kanonskogel, of kan de snelheid van een projectiel berekenen. Het elektromagnetisme bestudeert dan weer de wisselwerking tussen elektrische en magnetische velden, en laat toe om elektrische netten te begroten of magnetische fenomenen te verklaren. Een fascinerende tak van de sterrenkunde is de kosmologie, waar men het ontstaan, de structuur en de evolutie van het heelal tracht te begrijpen. Subatomaire fysica, zoals de kwantummechanica, bestudeert het gedrag van elementaire deeltjes; terwijl de relativiteitstheorie de effecten van zwaartekracht bij heel hoge snelheden voorspelt.

Met voorsprong de grootste uitdaging in de moderne fysica is het kneden van één fysische theorie, die in staat is om alle voornoemde fenomenen te beschrijven en te verklaren. Zo’n universele theorie moet dus het grillige, en nauwelijks voorspelbare gedrag van uiterst kleine deeltjes kunnen verzoenen met de structuur van gigantische sterrenstelsels, terwijl zij tevens de wetten van de relativiteitstheorie respecteert, en het bestaan van zowel elektrische als magnetische velden toelaat.

Hoewel die allesomvattende theorie (nog) niet voor morgen lijkt, zijn de recente ontwikkelingen alleszins fascinerend. Zo suggereert de (super)snaartheorie bijvoorbeeld het bestaan van verschillende werelden of realiteiten, die echter elk aan een verschillende frequentie trillen. De M-theorie tracht dan weer de verschillende supersnaartheorieën samen te smeden tot een hyperuniversum in elf dimensies. De bouw van de deeltjesversneller in Genève moet meer inzicht verschaffen in deze nog grotendeels onontdekte wereld. Recent werd de Nobelprijs voor de natuurkunde trouwens nog toegekend aan drie wetenschappers die een doorbrak hadden bereikt in het onderzoek naar de symmetrie-eigenschappen van elementaire deeltjes.

Scheikunde als cataloog van alle elementen

Reeds eeuwen geleden trachtten alchemisten lood om te vormen in goud, middels ingewikkelde (en bovenal ontzettend zinloze) formules. Chemie of scheikunde heeft sinds mensenheugenis veel interesse gewekt, vermits wij nu eenmaal willen weten hoe alle stoffen in elkaar steken. Scheikunde, zoals de naam laat vermoeden, bestudeert het scheiden van stoffen tot hun elementaire bouwstenen, met de heimelijke ambitie om ze naderhand opnieuw samen te smeden tot edeler materialen. Dankzij de scheikunde bestaat aspirine tegen de hoofdpijn, wordt ruwe olie geraffineerd tot benzine of kunststof, kan textiel geverfd worden, en kunnen wij genieten van een frisse pint.

Hoewel de scheikunde zich aanvankelijk richt tot het scheiden van stoffen, ligt haar grootste toekomstpotentieel net in het samenstellen van verschillende atomaire deeltjes. De huidige (en vaak gecontesteerde) kerncentrales werken immers op het principe van kernfissie, waarbij energie vrijkomt bij het splitsen van atoomkernen. Een grote doorbraak zou echter kernfusie zijn, waarbij reusachtig veel energie vrijkomt door kernen opnieuw samen te smelten. Het onderzoek naar deze techniek, die eensklaps alle energieproblemen zou kunnen oplossen, staat echter nog in de kinderschoenen. Zo moet vandaag nog een atoombom tot ontploffing worden gebracht om de juiste voorwaarden te creëren waaronder kernfusie kan plaatsvinden…

Geneeskunde is dienstbare wetenschap

De geneeskunde is wellicht de meest nobele van alle toegepaste wetenschappen. Haar ambitie ligt immers niet laner dan het remediëren van kwalen, en het helen van zieke mensen. De voorbije decennia is hierbij veel aandacht gegaan naar het ontrafelen van de geheimen die besloten liggen in ons desoxyribonucleïnezuur, beter bekend als DNA. Dit DNA, dat teruggevonden wordt onder de vorm van chromosomen, lijkt op een wenteltrap, en bevat nagenoeg alle erfelijke informatie die in onze genen zit. Een beter begrip van DNA kan leiden tot een scherper inzicht in de werking van erfelijke ziektes, en op termijn kunnen genetische manipulaties zelfs fungeren als een feilloos vaccin.

Ook stamcelonderzoek oogstte de voorbije jaren wel vaker controverse. Stamcellen, die men in groten getale bij embryo’s aantreft, zijn de meest maagdelijke bouwstenen van ons organisme. Een stamcel is in staat om zich te veranderen in ieder mogelijk type cel, m.a.w. zij kan nog uitgroeien tot ee nstukje oor, een deel van de lever, of zelfs een neushaar. Stamcellen lijken dus het ultieme recept om verwoestende ziektes als kanker te kunnen behandelen.

De grote uitdagingen van de geneeskunde zijn zonneklaar: zoeken naar therapieën voor levensbedreigende ziektebeelden als kanker, aids of alzheimer. Dit onderzoek is dus andermaal een delicaat koorddansen op de kennisgrens, dat niet zelden uitmondt in een ethisch debat.

© 2009 – Labo Vekalie

Winterpret en wetenschap

januari 27, 2009

Het winterse weer voorspelt wolken zwanger van sneeuw, en tovert prachtige patronen op de vensters. Maar wat zijn sneeuwvlokken precies, en hoe ontstaan ijskristallen? En waarom zijn ze zo mooi? De wonderen der winter worden hieronder kristalhelder uitgelegd!

Potloden uit diamant

Hagelstenen, sneeuwvlokken en ijskristallen zijn verschillende verschijningsvormen van… gewoonweg water. In zijn meest elementaire vorm is water een molecule die bestaat uit een zuurstofatoom (O), omringd door twee waterstofatomen (H), wat de chemische formule H2O verklaart. Door deze watermoleculen op verschillende manieren te stapelen, neemt het water telkens een andere gedaante aan, zoals je ook met identieke legoblokjes heel uiteenlopende vormen kunt bouwen. Zo zijn bijvoorbeeld houtskool, grafiet (waaruit potloden zijn gemaakt) en zelfs diamant verschillende verschijningsvormen van hetzelfde chemisch element, namelijk koolstof.

Watermoleculen in een ijskristal groeperen zich in zeshoekige structuren, zoals getoond in onderstaande figuur. Iedere rode bol stelt een zuurstofatoom voor, terwijl de grijze staafjes waterstofatomen zijn. De natuur geeft de voorkeur aan de zeshoekige vorm, omdat deze stapeling van watermoleculen de laagste energie vergt. Ter vergelijking: ijzeratomen staplen zich in kubusvorm tot een kristal, zoals het atomium (sterk vergroot) laat vermoeden.

kristalstructuur

Vlokken vertakken tot dendrieten

Indien regen bevriest vormt het hagel, een hoogst hinderlijke neerslag. Indien echter waterdamp condenseert tot ijskristallen, leidt dit tot sneeuw, en navenante winterpret. Terwijl de sneeuwvlokjes vallen, botsen zij met elkaar en groeperen ze zich tot meer complexe structuren. Door het chaotisch en willekeurig samensmelten van elementaire kristallen worden dendrieten gevormd, met een beeldschone en supersymmetrische structuur.

De vorm van de vertakkingen is onder meer afhankelijk van de luchtdruk, de temperatuur en de luchtvochtigheid. Deze uiterst complexe structuren kunnen mathematisch beschreven worden door de al even ingewikkelde fractaaltheorie.

Dendrieten kennen talloze verschijningsvormen

Dendrieten kennen talloze verschijningsvormen

Tweelingvlokken bestaan niet

Wiskundigen kunnen bewijzen dat het aantal mogelijke combinaties dermate groot is dat wellicht nog nooit twee identieke sneeuwvlokken zijn gevormd. Je kunt dat een beetje vergelijken met het aantal combinaties waarmee je tien jurken in een garderobe kunt hangen: voor de eerste jurk heb je tien mogelijkheden, bij de tweede blijven nog negen keuzes, voor de derde slechts acht resterende opties, enz… In totaal zijn er meer dan drie miljoen mogelijkheden voor slechts tien kledingsstukken! Als je bedenkt dat zelfs een relatief eenvoudig dendriet een sequentie is van honderden kleine vlokjes, wordt al gauw duidelijk dat het aantal mogelijke vormen schier onbegrensd is.

Kortom: sneeuw is gecondenseerde waterdamp en bestaat uit ijskristallen, die kunnen vertakken tot dendritische structuren met een adembenemende schoonheid. Dit verklaart waarom een warme winternacht kan uitmonden in een boeket van ijsbloemen…

© 2009 – Labo Vekalie