Fysikk og Fascinasjon

en blogg om ny og gammel forskning, og om den fantastiske naturen


Legg igjen en kommentar

Fysikken mot økonomien

1280px-BinghamCanyon

Bingham Canyon mine, en av verdens største kobbergruver. Bilde: Wikimedia Commons

Vårt økonomiske system går ikke overens med naturlovene. Og det er ikke naturlovene vi kan endre.

Skal en fysiker bry seg om økonomi? Frem til ganske nylig ville jeg ha svart nei. Fysikere og naturvitere beskriver naturen og utvikler tekniske løsninger, så tar økonomene seg av renter og avgifter og slikt som jeg ikke forstår noe av.

Men i løpet av arbeidet med Menneskets grunnstoffer innså jeg at dette overhodet ikke er riktig. I boken ønsket jeg å finne ut om vi er i ferd med å gå tom for noen av byggeklossene vi er avhengige av i sivilisasjonen vår. Svaret er at vi ikke «går tom» for nesten noe som helst, men at vi alltid vil bruke opp forekomstene som er enklest å utvinne først, og derfor trenger mer og mer energi og innsats for å få tak i den samme mengden med råstoffer. Økende forbruk vil kreve enda mer energibruk og belastning på miljøet.

Samtidig er økonomisk vekst en grunnleggende forutsetning i vårt økonomiske system. Økonomien skal vokse, fordi verdiene i markedsøkonomien er bygget opp av lån, som er løfter om fremtidig avkastning. Uten vekst smuldrer disse verdiene bort som støv. I et TED-foredrag fra 2015 sier økonomen Dambisa Moyo det slik:

«Economic growth is the defining challenge of our time. Without it, political and social instability rises, human progress stagnates and societies grow dimmer.»

Derfor er det ikke nødvendigvis grådighet eller uvitenhet som driver politikere og økonomer når de insisterer på fortsatt vekst. Dette er noe vi må ta på alvor. Sosial uro og krig gir katastrofale konsekvenser for både miljø og klima.

Stabil økonomisk vekst vil si at «størrelsen på økonomien» øker med noen prosentpoeng årlig. De siste tiårene har for eksempel veksten i verdensøkonomien ligget på omtrent tre prosent. En tommelfingerregel sier at man skal ta 70 år og dele på rentesatsen for å finne ut hvor mange år det tar før du har dobbelt så mye som du startet med. Det betyr at med 3% vekst dobler størrelsen på verdensøkonomien seg omtrent hvert 23. år. Det betyr også at økonomien øker med mer, og mer, og mer for hvert år som går.

Nødvendigheten av økonomisk vekst er nedfelt i FNs 17 bærekraftsmål. I mål 8, Anstendig arbeid og økonomisk vekst, står det at vi må «Opprettholde en økonomisk vekst per innbygger som er i samsvar med forholdene i de respektive landene, og med en vekst i bruttonasjonalproduktet på minst sju prosent per år i de minst utviklede landene«. Økonomien skal altså vokse over alt, og i de fattigste landene skal den dobles i størrelse hvert 10. år.

For å få til denne veksten, sier FN at vi skal øke produktiviteten gjennom «teknologisk modernisering og innovasjon». Det er altså her fysikere og teknologer kommer inn: vi skal utvikle og finne opp løsninger som gjør fortsatt vekst mulig.

Alle kan bli enige om at den totale ressursbruken på planeten vår ikke kan vokse til evig tid. Skal vi doble bruken av ressurser hvert 23. år, vil den økonomiske aktiviteten til slutt kreve mer energi enn vi har tilgjengelig på jorda. Optimistene vil svare at dette ikke er et problem, fordi vi kan oppheve koblingen mellom energi og økonomisk utbytte, slik vi for eksempel bruker mye mindre energi på å skaffe det økonomiske godet lys når vi går fra glødelamper til LED-pærer. Ifølge FNs bærekraftsmål nummer 8 skal vi «oppheve koblingen mellom økonomisk vekst og miljøødeleggelser».

Men naturvitenskapelig forskning og tekniske løsninger kan aldri gi oss økonomisk vekst uten økt ressursbruk. Vi kommer ikke utenom naturlovene, og all aktivitet krever energi. Jeg skriver om dette i Menneskets grunnstoffer:

«Anta at vi allerede har nådd grensen for energibruk. Økonomien skal fortsatt vokse, men vi skal ikke bruke en eneste enhet mer energi. Om vesten går sakte, med bare en prosent i året, vil størrelsen på økonomien dobles hvert 70. år. Samtidig er energien konstant. Det vil si at om 70 år fra nå, bruker vi halvparten så mye energi på hver bakte bolle, hver hårklipp, hver influensavaksine og hver meter motorvei. Om 140 år bruker vi en fjerdedel, om 210 en åttendedel, og om 700 år bruker våre fjerne etterkommere bare en tusendel av den energien vi bruker nå, til å varme vann til hårvask, kurere sykdommer og til å fremstille jern fra jordskorpen.

LED-pærer er nå en ting, men dette beveger seg mot det absurde. Fysiske, kjemiske og biologiske prosesser krever energi. Selv internett bruker energi – for hvert søk du gjør på Google, og hver like du gir på Facebook, blir det gjort energikrevende beregninger på en datamaskin et sted i verden. I dag krever internett mer enn tre prosent av verdens elektriske energi, men om ti år er andelen kanskje økt til tjue prosent.»

Dette er hva jeg mener med at vi ikke kan stole blindt på at teknologien skal redde oss. Det vi trenger er ikke flere dingser og smartere apper, det er et økonomisk system som kan opprettholde et stabilt samfunn og tilfredsstille våre menneskelige behov uten et forbruk som vokser inn i evigheten.

Heldigvis er det nå mange som sier tydelig fra om at vi trenger et alternativ til vekstøkonomien. I august i år sa Nicolas Hulot fra seg sitt verv som fransk miljøvernminister på direktesendt radio. Vi streber etter å opprettholde og gjenopplive en markedsøkonomisk modell som er årsaken til alt dette, sa Hulot, og refererte til klimaendringer og tap av artsmangfold. Også i FN-systemet snakkes det nå om nødvendighetene av å endre vår økonomiske modell. Økonomistudenter verden over krever å få innsikt i alternative økonomiske modeller, tilpasset vår tid og vår fremtid.

Det er fantastisk hva vi mennesker har fått til. Jeg er ikke i tvil om at vi kan klare å organisere oss på en bedre måte slik at også våre etterkommere kan leve gode liv. Men da gjelder det å sette i gang og finne ut av hvilke smarte endringer vi må gjøre, og at vi slutter å lure oss selv med falske forhåpninger uten rot i naturlovene.

 

 

Reklamer


8 kommentarer

Hvor langt kan vi komme med elfly?

Hver sommerferie tenker vi litt ekstra over hvordan flyreisene våre påvirker planeten. Spesielt denne sommeren. Det er noe feil med været, men det er deilig med sol og varme, og vi flyr jo på ferie, alle gjør det.

Om den dårlige samvittigheten truer med å stikke hodet frem, finnes det alltid en eller annen tydelig stemme i offentligheten som kan berolige oss med at det er helt greit å fortsette å fly mer, for i fremtiden kommer flyene til å være klimavennlige. Vanligvis er det biodrivstoff som får ansvaret for dette kommende grønne skiftet. Jeg har tidligere skrevet om at det sannsynligvis er å love for mye.

I år er imidlertid fokus flyttet over på batterier. Nå er det elfly som er den nye fremtiden.  Avinor mener at all innenriks luftfart i Norge skal være elektrisk innen 2040. Som entusiastisk elbilist må jeg si at en fremtid med elektriske fly virker utrolig forlokkende. Tenk å sveve over landskapet helt uten motorstøy! Tenk på hvor stille flyplassene kommer til å bli.

Men hvor langt kan vi egentlig komme med batteridrevne fly? Snakker vi to-seters småfly mellom Oslo og Drammen, eller fullastede passasjerfly fra Norge til Thailand?

IMG_6705

Innflygningen til København. Kan flyene i fremtiden bli drevet av strøm fra vindmøllene der nede?

Et enkelt regnestykke

Selv om det er komplisert å designe fly, er fysikken som bestemmer hvor mye energi man trenger for en flytur heldigvis ganske enkel. Den maksimale avstanden et fly (eller noe annet flygende, som en fugl eller et insekt) kan tilbakelegge kan man finne ved følgende regnestykke:

S = E x F x L x C / g

Her er S avstanden flyet kan tilbakelegge, og de andre faktorene er

  • E, energieffektiviteten, som forteller hvor mye av energien i drivstoffet eller batteriet som faktisk blir overført til propellene. Siden forbrenningsmotorer er lite effektive er dette tallet bare omkring 1/3 i dag. For elfly kan den godt være på så mye som 73%.
  • F, hvor mye av flyets vekt som er drivstoff eller batteri. Hvis flyet bare er drivstoff blir F = 1, og om tanken er tom eller batteriet er tatt ut er F = 0. Et typisk tall for F er omtrent 1/2, og tallet kan nødvendigvis ikke bli så mye høyere om vi bytter fra bensin til batteri. Det må jo være plass til passasjerene og bagasjen også.
  • L er det som kalles aerodynamisk effektivitet, og har med formen på flyet å gjøre. For vanlige passasjerfly er L i underkant av 20, mens for et glidefly er L nærmere 40. Siden elfly godt kan ha mange, mindre motorer fordelt utover vingene, er det mulig å få den aerodynamiske effektiviteten i elflyet noe høyere enn for dagens fly. Ut i fra hva jeg har lest tror jeg at L ikke kan bli noe særlig mer enn 30.
  • C, energitettheten, forteller hvor mye energi drivstoffet eller batteriet inneholder per kilo. Bensin og olje inneholder omtrent 40 MJ per kilo. Dagens batterier rommer omtrent 0,7 MJ/kg, men dette er forventet å øke til 0,9 MJ/kg innen 2025. Det er teoretisk mulig å oppnå 4,4 MJ/kg i Li-ion-batteriene, men det finnes andre batterityper som er forventet å kunne romme opp mot 6,3 MJ/kg innen 2025, og har 12,6 MJ/kg som teoretisk maksimum.
  • g er tyngdeakselerasjonen, som alltid er 9,8 m/s2 her på jorda, uansett hva slags fly vi bruker.

Av lista over ser vi altså at mer effektiv motor og optimal form på flyet kan bidra til å øke rekkevidden på elflyet, mens den lave energitettheten i batteriene trekker rekkevidden betraktelig nedover.

I dag kommer vi ikke så langt

Ved å gange sammen tallene jeg har oppgitt for dagens fly, får jeg en rekkevidde på 13 600 km. På lista over de 10 passasjerflyene med lengst rekkevidde i dag spenner rekkeviddene mellom 14 350 og 17 395 km, så dette virker som et ganske bra anslag.

Med dagens batteriteknologi og de effektivitetene vi allerede har oppnådd, blir rekkevidden til elflyet 520 km. Dette er lengre enn avstanden i luftlinje fra Oslo til Trondheim. Flyet må ha ekstra energi både til å komme seg opp i lufta og til å sirkle rundt ved kø og dårlig vær, så den faktiske rekkevidden blir kortere enn 520 km. Foreløpig er det derfor bare de aller korteste flyrutene som kan være aktuelle for elfly.

Med dagens teknologi kan altså elflyene få en rekkevidde som er 1/26 av det flyene vi bruker i dag kan oppnå. Hvor langt kan vi komme om vi forbedrer teknologien?

Elfly i fremtiden

E. Energieffektiviteten til elflyet kan muligens økes, spesielt om propellene blir enda mer effektive. La oss si at effektiviteten kan komme helt opp i 90%. Det vil si at vi øker det første tallet i likningen med 90%/73%=1,2. Om vi presser effektiviteten så langt opp vi bare klarer, vil det altså bare gi en økning på 20% i rekkevidde, mens det vi egentlig er ute etter, er å gjøre den 26 ganger så stor.

L. Ved å øke den aerodynamiske effektiviteten fra 20 til 30, øker rekkevidden med 30/20=1,5. Vi kommer altså 50% lengre, som fortsatt er mye mindre enn det vi ønsker.

C. Det siste som gjenstår er energitettheten i batteriene. Det er ganske trygt å forvente en rivende utvikling i batteriteknologien de neste årene. Den forventede økningen fra 0,7 til 0,9 MJ/kg frem til 2025 lar oss øke rekkevidden med nesten 30%. Det er ikke så mye. Om vi skulle komme helt opp til den teoretiske maksgrensen (noe som ikke er mulig i praksis) for Li-ion-batterier, ville det tilsvare å øke rekkevidden 6,3 ganger. Det er fortsatt mindre enn 26, men det begynner ihvertfall å monne litt. Om vi også tar med økningene i E og L, blir rekkevidden 1,2×1,5×6,3=11 ganger større enn med dagens teknologi.

Skal vi ha fly elfly med tilsvarende rekkevidde som dagens fly, blir vi nødt til å øke energitettheten i batteriene 26/(1,2×1,5) = 14 ganger. Li-ion-batteriene kan ikke bli 14 ganger bedre enn de er i dag. Andre, bedre alternativer er under utvikling, og de beste kandidatene er

Li-S batterier, forventet å oppnå 4,5 MJ/kg innen 2025 (6,4 ganger bedre enn i dag); teoretisk maksimum er 9,3 MJ/kg (13 ganger bedre enn i dag), og

Li-O2 batterier, forventet 6,3 MJ/kg innen 2025 (9 ganger bedre enn i dag); teoretisk maksimum 12,6 MJ/kg (18 ganger bedre enn i dag).

Konklusjon

Elfly kommer til å bli en stor forbedring for de korte flyrutene i Norge. Det skjer ikke over natta, men om teknologiutviklingen går som den skal, kan Avinor oppnå sitt mål innen 2040. Det gleder jeg meg skikkelig til.

Det skal imidlertid veldig mye til at helelektriske fly overtar langdistanserutene. Det vil kreve noen revolusjoner innen batteriteknologi. Alternativet, som fortsatt forurenser men gir mindre utslipp av CO2 enn i dag, er hybridfly som bruker de effektive elmotorene og har med seg jetdrivstoff for å lade opp batteriene underveis.

Det er viktig å huske på at utslippene av CO2 må reduseres, raskt, og med en gang. Elfly med lang nok rekkevidde til å virkelig gjøre en forskjell for luftfarten ligger for langt frem i tid til at vi kan fortsette å fly som før og vente på redningen. Om vi skal unngå katastrofale klimaendringer må vi slutte å slippe ut CO2. Selv med utviklingen i elfly er det vanskelig å se hvordan dette kan være forenelig med at vi skal kunne reise like langt og like mye som i dag. Beklager.

 

NB1: Siden jeg ikke er noen ekspert på flyteknologi, har jeg vært svært optimistisk i antakelsene om hvor mye effektivitetene kan økes. Se gjerne kommentaren fra Frode Lund, under, for noen betraktninger om utfordringer med vinterdrift og norske forhold, fra en yrkesflyger. Takk for innspillet.

NB2: En faktor jeg ikke har tatt med over er det som kalles optimal marsjfart, altså hvor raskt flyet må bevege seg for å oppnå lengst mulig rekkevidde. Som Harald Hauglin påpeker i kommentaren under, kan farten på de mest energieffektive elflyene bli så lav at de ikke lengre er konkurransedyktige i forhold til tog.

 

Kilder

Jeg har hentet tall og basert ligningen for rekkevidde på rapporten Electric flight – potential and limitation (Hepperle, 2012), og boka Sustainable energy – without the hot air (McKay, 2009).


2 kommentarer

Det blir bok!

Den observante leser har kanskje fått med seg at det er ET HELT ÅR SIDEN jeg publiserte siste blogginnlegg – ikke mye til blogger, altså! Men det har en grunn, og den grunnen er jeg snart i mål med. Etter å ha holdt på med bloggen en stund fant jeg nemlig ut at jeg liker godt å skrive, så godt at jeg ville prøve meg på et større prosjekt. Så da jeg fikk bokstipend fra Norsk faglitterær forfatter- og oversetterforening (takk!), var det bare å sette i gang. Jeg tok delvis permisjon fra jobben så jeg kunne sitte hjemme og drive research og skrive et par dager i uka. Det var fint.

Etter at prosjektpengene var brukt opp, viste det seg at også mitt døgn bare har 24 timer. Derfor ble det altså totalt stopp på bloggen mens jeg brukte alle ledige fritimer til boka. Men nå – tada – er boka snart i trykk! Jeg fikk pdf til korrektur i dag, og nå ser det veldig ordentlig ut:

Screenshot 2018-08-13 20.47.10

Boka handler altså om grunnstoffer, og materialer, og i bunn og grunn ressurser. Hvordan lager vi alle tingene våre? Og har vi nok av alt vi trenger til å fortsette å bygge og bygge og bygge inn i evigheten? Jeg begynte med mange spørsmål, har funnet noen svar og har lært utrolig mye på veien. Håper at noen andre kan lære litt av dette også.

Og da siste versjon av manus var sendt inn, oppdaget jeg plutselig at jeg kunne gjøre hva jeg ville i de ledige kveldstimene. Jeg hadde egentlig glemt hvordan det var. Håper jeg kommer til å bruke noen av dem til bloggskriving fremover, for jeg var jo ikke egentlig gått lei.

(boka skal være ferdig trykket den 13. september, og så må det bli lansering… følg med!)


Legg igjen en kommentar

Om å bruke modeller til å forstå verden

Jeg synes ofte at kritikk mot forskning, det kan være klimaforskning eller det kan være annet som har med store og viktige spørsmål å gjøre, går omtrent slik:

1. Her har forskerne brukt en modell.
2. Modellen er en forenkling av virkeligheten.
3. Siden virkeligheten er mye mer komplisert, stemmer ikke resultatene av modellen.
4. Jeg vet mye om [fyll inn det som passer, for eksempel hvordan skyer dannes, hvor fort CO2 løses opp i havet, eller historiske temperaturverdier på hytta]. Dette har ikke forskerne fått med i modellen sin.
5. Om de hadde tatt med det som jeg vet, hadde de funnet ut at [fyll inn det som passer, for eksempel at jorda blir kaldere istedenfor varmere].

Dette er jeg litt lei av. Her er hvorfor:

1. Ja, forskerne har brukt en modell.
Forskere bruker alltid en modell. Og det gjør alle andre også. Modeller er den eneste måten det går an å sette tall på verden på. La oss si for eksempel at jeg lurer på hvor lang tid jeg vil bruke på å kjøre til et sted som ligger 100 km unna (og at jeg ikke har internett tilgjengelig, noe som kanskje er en litt drøy antakelse). Hvordan i all verden skal jeg finne ut av det?
Først skal jeg starte bilen, kanskje skru på radioen, og rygge ut av parkeringsplassen. Så skal jeg kjøre ut på veien der det er 30-sone, før jeg kommer til et lyskryss der jeg må vente en stund, og så kommer jeg til en vei med 50-sone, men noen ganger er det trafikk. Og så videre.
Om jeg skulle tatt med alle detaljene som finnes i virkeligheten, ville jeg aldri ha kommet frem til noe svar. Det jeg gjør istedenfor er å lage en modell. Jeg vet at jeg skal kjøre på motorvei mesteparten av veien, der jeg vil kjøre i mellom 90 og 100 kilometer i timen. Men i starten og slutten av turen skal jeg kjøre et stykke på småveier med lavere fartsgrense. Derfor lager jeg en modell som går ut på at jeg kjører hele strekningen i konstant hastighet på 80 kilometer i timen. Ved å anta en konstant men litt lavere hastighet, går jeg ut i fra at det veier opp for småveiene, tiden det tar å starte og stoppe bilen, røde lys og litt trafikk. Nå har modellen gitt meg et regnestykke: Tiden det vil ta å komme frem er lik lengden jeg skal kjøre delt på hastigheten. Svaret blir at det vil ta megen time og ett kvarter å komme meg dit jeg skal.
Ut i fra hva jeg vet om systemet jeg analyserer – hvordan trafikken vanligvis er, og hvor fort jeg pleier å kjøre – er svaret jeg kommer frem til en god antakelse. Men den trenger ikke å være riktig. Om det skjer en stor ulykke mens jeg kjører på motorveien, kan jeg ende opp med å sitte en time i kø. Eller bilen min kan få motorstopp, så jeg kanskje ikke kommer frem i det hele tatt. Jeg vet at slike ting kan skje, men at sannsynligheten er nokså lav.
Modellen kan også brukes til å finne en nedre grense for tiden jeg bruker. Det kan jo hende at jeg treffer en grønn bølge og det ikke er en eneste annen bil på veien, og at jeg får en fandenivoldsk ide om å ligge langt over fartsgrensen. Om jeg regner med en gjennomsnittshastighet på 120 kilometer i timen, vil jeg bruke 50 minutter på å komme frem. Jeg er sikker på at jeg absolutt ikke kan komme fram tidligere enn dette.
Modellen min har altså fortalt meg tre ting: En nedre grense, en mest sannsynlig verdi, og at det ikke finnes noen øvre grense for maksimaltiden, men at svært høye verdier er usannsynlige. Uten en modell hadde jeg ikke hatt noen tall i det hele tatt.

2. Ja, modellen er en forenkling av virkeligheten.
Sånn vil det alltid være. Man kan ikke regne ut virkeligheten. Virkeligheten er dugg i gresset, hull i veien og barn som protesterer. Virkeligheten er humor og humør og overtro.
Siden modeller er forenklinger, er det ikke nok å gjøre regnestykket en gang og si seg fornøyd med det. Man må sjekke hva som skjer når man varierer alle de forskjellige tallene og sammenhengene som går inn i modellen, innenfor de grensene som virker rimelige, og se hva det har å si for utfallet. Noen ting kan varieres så mye man bare vil uten at det påvirker resultatet i det hele tatt. Da kan man bestemme seg for å ta dem helt ut av modellen. Andre ting kan gi kjempeeffekter, og da er det ekstra viktig at man får disse delene så riktige som mulig. Og noen ganger kan ting virke inn på hverandre og gi helt uventede effekter.

3. Selv om virkeligheten er mye mer komplisert, stemmer resultatene av modellen.
Så lenge du ikke har regnet feil, vil resultatene av en modell gi resultater som stemmer for den virkeligheten som beskrives av modellen. Om modellen passer dårlig med virkeligheten, vil det selvfølgelig gi resultater som har mindre med den faktiske virkeligheten å gjøre. Det er her forskningen kommer inn. Det vi gjør som forskere, er å lære om hvordan vi kan bli bedre og bedre til å beskrive virkeligheten ved hjelp av tall og formler. Når resultatene av en modell viser seg å ikke stemme overens med virkeligheten, gjør vi vårt ytterste for å finne ut av hvilken del av modellen som er dårlig, og hvordan den kan gjøres bedre. Store modeller, som dem som brukes til å studere klimaet på jorda, består av svært mange mindre modeller som påvirker hverandre, og som hele tiden forbedres.

4. Om du faktisk vet noe – ikke bare som en anekdote eller en familiehistorie, men som noe som er kvalitetskontrollert og akseptert som vitenskap – er sannsynligheten stor for at forskerne som arbeider med en modell der dette er viktig, også vet om det. Det er en stor og vanskelig jobb å holde oversikt over all den nye kunnskapen som produseres, og resultatene i en vitenskapelig rapport kan godt motsies i flere andre. Dersom det faktisk er sånn at forskerne ikke har fått med seg det du vet, er du velkommen til å gjøre det arbeidet som kreves for å gjøre dataene kjent og aksepterte, eller til å overbevise andre til å gjøre arbeidet for deg eller sammen med deg.

5. For å trekke konklusjoner om klimaet på jorda, eller andre store og viktige spørsmål, er man nødt til å se på helheten. Det er derfor vi bruker disse store modellene. Når flere systemer virker inn på hverandre, kan resultatet noen ganger bli det motsatte av det som virker intuitivt riktig.

Alternativet til å bruke en modell, som ganske riktig er en forenkling av virkeligheten, kan umulig være å forenkle ting enda mer. Jeg skulle ønske jeg hadde en kort og god måte å si dette på, som jeg kunne bruke i møte med slike argumenter. Forslag mottas med takk.

(Og forresten, i tilfelle noen lurer: Jeg er ikke klimaforsker. Noe av det jeg forsker på har sammenheng med klima. Og jeg bruker modeller.)

Globe Environment World Planet Earth Blue Planet

En forenklet modell av jorda, lånt fra denne siden.


Legg igjen en kommentar

Hydrogenmetall

Vi trenger gode nyheter for tiden, og meldingen om at noen har greid å lage metall av hydrogen for aller første gang kan være en god kandidat.

Hva er hydrogenmetall?
Hydrogen er det minste atomet, og det grunnstoffet det finnes aller mest av i verden. Det består av ett proton og ett elektron. Vi finner det overalt i naturen, men stort sett ikke alene, fordi det er glad i å hekte seg sammen med andre stoffer. Rent hydrogen danner en gass der to og to hydrogener henger sammen i molekylform, og temperaturen må helt ned til 20 grader over det absolutte nullpunkt før denne gassen blir til en væske, for deretter å bli fast stoff ved 14 grader.
I dette faste hydrogenet, der temperaturen er nesten så lav som den kan bli, sitter atomene pent og rolig på rader og rekker, der hvert proton passer på sitt elektron. Imidlertid har det lenge vært kjent at dersom trykket blir veldig høyt, slik at hydrogenatomene blir dyttet mot hverandre med masse kraft, bør atomene gi slipp på elektronene sine. Protonene i kjernen vil ordne seg i et gitter, med alle elektronene svirrende løst rundt dem, akkurat som i et metall. Dette er det som kalles metallisk hydrogen, og forskere har brukt årtier på å prøve å fremstille det.

Hva skal vi med metallisk hydrogen?
739px-superconducting_levitation_and_candle_on_a_magnet

Med superledere kan man få ting til å sveve. Bilde: Wikimedia Commons

De teoretiske beregningene som har vært gjort tyder på at metallisk hydrogen vil være en superleder, det vil si et stoff som kan lede strøm helt uten tap. I dag sender vi elektrisiteten vår gjennom ledninger av kobber eller aluminium, og desto lengre avstand det er mellom stedet der strømmen lages og der den skal brukes, desto mer går tapt underveis. Om vi kunne lage metallisk hydrogen, og det oppførte seg stabilt ved normalt trykk og temperatur, kunne vi få mer ut av den strømmen vi lager fordi mindre av den ville gå tapt. Superledere kan også brukes til å få mer effektiv transport ved å få tog til å sveve. Vi har foreløpig ingen materialer som kan brukes som superledere ved romtemperatur.

Hvor høyt må trykket være?
Det ble først antatt at hydrogen ville gå over i metallform ved 25 GPa (det er omtrent 250 ganger høyere enn trykket i det dypeste havet i verden, Marianergropen). Senere har mer nøyaktige utregninger vist at en må opp i minst 100 GPa. Forsøk som ble gjort ved rundt 350 GPa, som tilsvarer trykket i Jordas sentrum, viste ingen tegn til metallisk hydrogen.
I eksperimentene som nettopp har blitt publisert, ble overgangen funnet ved omtrent 495 GPa.

Hvordan får man trykket så høyt?
Et greit prinsipp for å få høyt trykk er: Stor kraft, lite areal. Når forskere skal studere hva som skjer med materialer ved ekstreme trykk bruker de ofte noe som kalles diamant-ambolt-celle: To slepne diamanter plasseres med spissene pekende mot hverandre. Tuppen av spissen er polert, slik at du får to runde flater med diameter omtrent så stor som et hårstrå på tvers. Mellom disse flatene plasserer du en beholder laget av et sterkt materiale, som for eksempel rhenium, wolfram, beryllium eller diamant. Du fyller beholderen med det du ønsker å studere gjennom et lite hull som plasseres der midten av diamantspissen treffer, slik at ingenting kan komme seg ut gjennom hullet. Så plasserer du diamant-paret inne i en slags klemme, og skviser til. For å finne ut av hva som skjer inne i cella kan du skinne elektromagnetisk stråling (synlig lys, røntgen eller varmestråling) inn fra den ene siden og måle hva som kommer ut på den andre siden. Du kan også bruke elektroder for å måle hvor godt materialet i cella leder strøm, og du kan varme opp eller kjøle ned cella med laser eller flytende helium eller andre kule triks. For å vite hvilket trykk du har fått inne i cella bør du, i tillegg til materialet du ønsker å studere, legge inn noe kjent, som for eksempel en liten bit av en rubin.

Hva var det forskerne klarte nå?
Ranga Dias og Isaac Silvera ved Harvard University hadde brukt mye tid på å finne ut hvordan man skulle unngå at diamantene sprekker når trykket blir høyt. De polerte spissene og etset vekk det ytterste laget for å få vekk alle mikroskopiske ujevnheter, og varmebehandlet diamantene for å få vekk alle spenningene. Hydrogen har en irriterende tendens til å krype inn i andre materialer og gjøre dem lettere å knuse, men denne krypingen trenger temperatur for å fungere, så forskerne brukte flytende helium til å holde cellen kald. I tillegg dekket de diamantene og rhenium-kapselen med et 50 nanometer tykt lag av aluminiumoksid, som det er vanskelig for hydrogen å trenge gjennom. For å unngå temperaturutvidelser som kunne gi spenninger i diamantene, brukte de bare veldig forsiktig varmestråling til å måle på hva som skjedde inne i cella, med noen ekstra målinger med laser når de kom nær det høyeste trykket de kunne oppnå.
Da trykket nærmet seg 495 GPa ble hydrogenet først svart og deretter reflekterende, akkurat som man skulle forvente seg for et metall.

Så nå er det bare å sette i gang og produsere hydrogenmetall?
Nei, ikke helt. Resultatene var lovende, men ikke alle er overbevist. Noen mener for eksempel at forskerne kan ha blitt lurt av aluminiumoksid-laget på diamantene. Det største problemet er at, siden det er så fryktelig vanskelig å oppnå så høye trykk, er det foreløpig bare er gjort et eneste eksperiment. Eksperimentet er ikke engang avsluttet. Ifølge denne reportasjen lot forskerne det metalliske hydrogenet bli værende i kjølemaskinen sin, for å gjøre flere eksperimenter på det etter at de første resultatene var publisert. Akkurat dette virker jo litt mistenkelig. Om du har laget noe så fantastisk, vil du ikke utforske det nærmere med en gang? Hva er vitsen med å vente til det er gjort offentlig? Er de redde for at neste måling skal vise noe annet?
Så om trykkmålingen stemmer, og den optiske målemetoden er god nok til å faktisk vise at det var metall der, så gjenstår det bare å finne ut hva som skjer med stoffet når man reduserer trykket igjen, og deretter å lage en maskin som kan skvise massevis av hydrogen under enormt trykk. Så er vi i gang.


Legg igjen en kommentar

Et fjell av salt

img_6675

Vitenskapsfolk og en liten del av et stort fjell av massivt salt.

Vann har fordampet fra Dødehavet i tusener på tusener av år, og lagt igjen et flere kilometer tykt lag av salt. Etterhvert som tiden går blir saltet tynget ned av salt, sand og støv som ligger over det. Og ettersom salt har lavere tetthet enn de fleste andre mineraler (på samme måte som fett har lavere tetthet enn vann, og vil legge seg øverst i suppa) får saltet lyst til å komme seg oppover.

Det har det klart. I sørenden av Dødehavsdalen har saltet tytet opp og ut gjennom sprekker i bakken, dannet av jordskjelv, og dannet et fjell som heter Sodom. Hørt om Sodom og Gomorra? Visstnok kan man se den stakkars hustruen til Lot her, blant alle de andre saltstrukturene.

Sodomfjellet tyter fortsatt oppover med omtrent tre millimeter i året. Når det kommer litt regn, løses saltet opp og det dannes huler og merkelige strukturer.

img_6679

Jeg smakte på steinen og den smaker salt. Så det er sant.

Det at salt har en tendens til å tyte oppover er forresten viktig flere steder på jorda, for eksempel i nordsjøen der store saltstrukturer kan ha konsekvenser for hvor man kan og ikke kan finne olje.

img_6685

Utsikt over fordampingsbassengene og til Jordan, fra fjellet av salt. Mineralene som blir utvunnet fra fordampingen blir blant annet solgt til Kina og brukt i kunstgjødsel.


Legg igjen en kommentar

Rapport fra det Døde Havet

img_6642

Her er geologien i ferd med å vinne over badestrukturene.

Denne gangen har forskertilværelsen tatt meg til et sted jeg aldri egentlig hadde trodd jeg skulle reise til, nemlig Israel. Anledningen er forskernettverket vårt, NanoHeal, og vår Israelske partner har bestemt at samlingen denne gangen skulle holdes på et hotell ved Dødehavet.

Forskningen i nettverket handler om mineraler: Hvordan vokser krystaller, og hvordan løser de seg opp, når de befinner seg inneklemt mellom korn av andre materialer? Kan vi lage sterkere, bedre, mer miljøvennlige og mer holdbare materialer enn dem vi bruker i dag ved å studere hvordan biologiske organismer lager mineralene sine, som i skall og bein? Kan materialer som er laget av mineraler, sånn som betong, holde seg stabile i lang tid, sånn at vi kan bruke dem til å lagre radioaktivt avfall?
Egentlig er dette et ganske passende sted å holde et slikt møte. Her er det nemlig fullt av mineraler, som felles ut når dødehavsvannet fordamper:
img_6661

Geologi vinner over biologi. Om fem år vil dette være en del av det flere kilometer tykke saltlaget under vannoverflaten.

Egentlig stemmer det ikke helt at dette hotellet ligger ved Dødehavet. Stedet vi befinner oss på, Ein Bokek, ligger ved fordampningsdammene i den sørlige enden av sjøen. Dette var en del Dødehavet så sent som i 1972, men siden den gang har vannstanden falt med over 20 meter, og den sørlige delen ville ha vært et tørt lag med salt om det ikke hadde vært for pumpene som flytter vann fra nord til sør.
Vanlig havvann er fullt av stoffer som kan være nyttige for oss mennesker, men siden det er såpass lite av dem i hver liter vann er det for kostbart å utvinne dem. Her i Dødehavet er konsentrasjonene høyere, og ved å pumpe vannet inn i grunne bassenger, der sollyset får vann til å fordampe og de nyttige stoffene til å bli enda mer konsentrert, kan man utvinne elementer som kalium (til kunstgjødsel), magnesium og andre stoffer i form av salter.
Det er ganske overveldende å se hvordan sjøen her er fullstendig kontrollert av menneskelig aktivitet. I den ene enden, i sør, dannes et 20 cm tykt lag med salt i bunnen av fordampingsdammene hvert år. Dette gjør at hotellene må bygge strendene sine oppover, og at ved de eldste hotellene må man nå gå opp en trapp for å komme ut på stranden fra bassengområdene utendørs.
img_6647

Dette utebassenget har mistet havutsikten sin.

I nordenden er situasjonen enda mer dramatisk. Ikke bare pumpes vannet ut av sjøen for å fordampe, det har heller ikke kommet nevneverdige mengder av nytt vann inn i sjøen siden Jordanelven ble demmet opp for å brukes i jordbruket, på 60-tallet. I dag synker vannstanden i Dødehavet med over en meter i året. Dette har ikke bare ført til at det har blitt langt å gå til stranden fra hotellene i nord. Det lille regnvannet som renner over de tørrlagte breddene av sjøen, løser opp saltlagene i undergrunnen og får tusenvis av synkehull til å åpne seg og ødelegge veier og bygninger. Erosjon er et kjempeproblem, og de økologiske konsekvensene er selvfølgelig enorme.
img_6628

Erosjon på slettene ned mot den nordlige delen av Dødehavet. Utsikt fra Massada.

For å bøte på problemet med uttørring av Dødehavet, er det planer om et system av rør og kanaler som skal flytte vann fra Rødehavet og inn i Dødehavet. Underveis skal deler av vannet avsaltes og brukes som drikkevann. Dette er et stort prosjekt med mange potensielt negative konsekvenser for miljøet, i og rundt både Rødehavet og Dødehavet. Om du vil lese mer om dette prosjektet kan Wikipedia-siden være et greit sted å starte.