Fysikk og Fascinasjon

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


Legg igjen en kommentar

Kjemisk potensiale i nanoporer, svømmetur og en bjørn

Jeg er på konferanse i USA, og overskriften oppsummerer dagens høydepunkter.

Hjemme er det skolestart, barnehagestart, fotballstart og korpsstart. Jeg er i New Hampshire og tenker på deformasjon av stein. Dette er en såkalt Gordon-konferanse, som holdes i en rekke fagfelter og har et veldig fint format: Tre foredrag på en time hver om morgenen, lunsj, fritid (der man sitter i sola og diskuterer vitenskap, eller drar og svømmer i en varm innsjø, som jeg fikk gjort i dag), deretter to timer med poster-session (se på og diskutere plakater som de som ikke holder foredrag har laget om forskningen sin), middag, og så to timer foredrag fra 1930 til 2130. Det kan være bittelitt vanskelig å holde seg våken på de siste foredragene. Ellers bra.

IMG_6329

Proctor Academy, nydelig sted å ha konferanse.

Tema for konferansen er «Rock Deformation», som altså betyr hvordan stein beveger på seg: Hvordan foregår store og små jordskjelv, hva vet vi egentlig om friksjon, hvordan kan man få små og store jordskjelv av å pumpe vann ned i bakken, hva skjer med krystallene i is som flyter og i stein som flyter dypt nede i jorda, og sånt. Noe som er litt rart er at det var et stort jordskjelv i Italia i natt som jeg ikke har hørt et ord om i løpet av dagen. Det henger kanskje sammen med at det er lite snakk om å forutsi jordskjelv. Det finnes folk som jobber med det, men det er vanskelig, og jeg er usikker på om noen av dem er her. For denne gjengen handler det mer om å forstå prosessene i jorda.

Jeg er så heldig å være invitert hit til å holde foredrag. Dette gjør at jeg får betalt reise, eget rom, slipper å stå og henge ved en plakat, og fikk bruke en hel time på å fortelle og svare på spørsmål om hva jeg driver med. Når jeg i tillegg fikk snakke mandag morgen, slipper jeg å være stresset resten av uka, og får masse tid til å diskutere med folk som gjør relevante ting. Det jeg har snakket om er hva som skjer mellom overflater på nanoskala, og det er det mange som er interessert i.

IMG_6327

Jeg holder foredrag.

Et av dagens høydepunkter var å sitte i sola i pausen og fundere over hvordan det kan gå for seg når korn i stein glir mot hverandre dypt nede i jordskorpen og dette får vann til å strømme fra dypet og opp mot overflaten. Her kan nanoporer, altså vannfylte hulrom som bare er noen få atomer store, være viktige. Kan jeg klare å finne ut noe om dette med mine eksperimenter?

Høydepunkt nummer to var at jeg rakk å kjøre opp til den lokale innsjøen og ta et bad i slutten av pausen.

Og høydepunkt nummer en må ha vært at jeg så en bjørn på morgenløpeturen min i skogen. Den var svart, ikke så veldig stor, og gikk vekk fra meg (heldigvis) et stykke unna. Jeg brukte resten av løpeturen på å fundere på hva man skal gjøre om man treffer en svartbjørn på stien. Skal man rygge, spille død, eller se stor og skremmende ut? Etter diskusjoner med de lokale har jeg kommet fram til at man skal prøve å skremme bjørnen, men håper jeg slipper å prøve det i morgen (om jeg i det hele tatt våkner tidlig nok til å løpe).

IMG_6335

Morgenstemning i skogen og ikke en bjørn i sikte.


Legg igjen en kommentar

og vips, så var CO2-en blitt til stein

Om det skal være mulig å nå målet om mindre enn to grader global oppvarming, er det ikke nok å slippe mer CO2 ut i atmosfæren. Vi er også nødt til å fange CO2 og gjemme den bort.

Det er godt kjent for geologer at det finnes prosesser i naturen der CO2 fra atmosfæren reagerer med mineraler som inneholder kalsium eller magnesium og danner nye mineraler, der CO2-en er en del av steinen. Slik CO2-holdig stein finnes mange steder på jorden og det er en stabil og trygg måte å oppbevare CO2 på. Spørsmålet er imidlertid hvor lang tid denne prosessen tar. Stein i naturen kommer ikke med en detaljert beskrivelse av hva som har skjedd med den og når. Geologiske prosesser tar stort sett svært lang tid.Om vi kan se at en stein har reagert med store mengder CO2, og det har gått «relativt fort», kan vi ikke egentlig si om det er noen år, noen tiår, noen hundreår eller noen tusen år. For alt dette er bare for øyeblikk å regne i den geologiske historien.

Av denne grunnen er det mange som gjør eksperimenter, og numeriske simuleringer, av hva som kan skje når man lar CO2 reagere med stein. Vil det oppstå sprekker som slipper CO2-en lengre inn i materialet og dermed lar reaksjonen går fortere? Eller vil det dannes mineraler i hulrommene nærmest der hvor man pumper inn CO2, slik at steinen blir helt tett og man ikke får inn mer?

Selv om man kan lære mye på labben og i datamaskinen får man ikke det endelige svaret før man har prøvd. Og det satte noen forskere i gang med på Island i 2012. Her har de injisert CO2 i basalt, som er den mørke vulkanske steinen man finner på Island og mange andre steder på jorda – omtrent ti prosent av jordas tørre overflate og mesteparten av havbunnen. Noen av mineralene i basalt inneholder kalsium og kan løses opp forholdsvis lett.

8986106246_6e2ce56621_z

Svartifoss på Island renner over søyler av basalt, laget av naturen helt på egenhånd. Bilde: Szecsa/Flickr/CC commons license.

Forskerne i Carbfix-prosjektet blandet ut CO2, og senere en blanding av CO2 og hydrogensulfid (siden det ofte er vanskelig å skille ut ren CO2 i industriprosesser hadde det vært fint å kunne kvitte seg med blandet gass) i vann, injiserte det omtrent 500 meter ned i bakken, og tok prøver av vannet fra samme dybde i en annen brønn 70 meter lengre bort. Og her kommer en skikkelig geologi-industri-klima-gladhistorie:

Mesteparten av den injiserte CO2-en kom ikke fram til den neste brønnen.

Beregninger viste at etter to år var 95% av den injiserte CO2-en blitt til stein.

Er det trygt? Ja, det skulle man tro. CO2-en reagerer med kalsium og danner kalsitt, som er et mineral man finner i kritt, kalkstein og en del skjell. Det var kalsitt i basalten allerede før injeksjonen av CO2. Reaksjon med det sure CO2-vannet gjorde at denne først ble løst opp, og deretter felt ut igjen. Det at det var kalsitt til stede fra før betyr at vannet som vanligvis finnes i denne steinen ikke er surt nok til å løse opp kalsitt. Så når den først er der, blir den værende.

CO2-en ble blandet ut i vann, istedenfor å bare pumpes ned som gass under trykk. Dette var for å unngå mulige utslipp av gass til overflaten. Det hjelper jo lite å gjøre en stor innsats for å dytte CO2 ned i bakken om den bare kommer opp igjen. Konsentrasjonen av CO2 i vannet er for liten til å danne gassbobler nede i brønnen. Så selv om ikke all CO2-en skulle bli til stein, ville den fortsatt bli værende i vannet nede i dypet.

Det å bruke masse vann til å bli kvitt CO2 kan høres ut som en dårlig idé. Rent vann er en knapp ressurs på jorda. Heldigvis sier forskerne at man kan bruke sjøvann i denne prosessen. Da blir det et mindre problem.

Dette er bare en av flere studier som viser at ulike former for geologisk lagring av CO2 kan være trygt. Det som gjenstår nå er incentiver for å faktisk fange og lagre CO2. Dette koster selvfølgelig penger, og ingen vil begynne med dette bare utav sin godhet. Nå er det økonomene sin tur – kom igjen, scenen er deres.


Legg igjen en kommentar

Kavliprisen til AFM!

Vi har fått en kjendis på laben. Altså: Den har vært der siden i vinter. Men i går ble det annonsert at oppfinnerne av AFM, Atomic Force Microscope, blir tildelt årets Kavlipris i Nanoteknologi. Hurra!

Dette kan vi feire med et AFM-bilde av overflaten på et mineralkorn som har vokst på innsiden av en gammel gruvegang i Røros. Her ser vi mikrometer-tykke lag av mineralet, og artige strukturer på nanometerskala.

Skjermbilde 2016-04-14 14.05.50

Instituttet har lagt ut en video på Facebook der jeg peker og prøver å forklare hva denne maskinen egentlig gjør, som du kan se her om du vil forstå mer.


Legg igjen en kommentar

Er det greit å fly, så lenge vi bruker biodrivstoff?

Jeg vil gjerne snakke litt mer om flytrafikk. I politiske debatter om flyavgifter, utbygging av flyplasser og denslags hører jeg nemlig ofte dette argumentet:

«Det er bare nå at flytrafikken er et problem. I fremtiden vil flyene bruke biodrivstoff, og da har vi ikke CO2-utslipp fra flyene lengre. Vi må bygge infrastruktur for fremtidens klimavennlige fly, ikke bygge ned på grunn av begrensningene vi har i dag.»

Dette høres jo så enkelt ut. Kan det virkelig stemme?

Jeg lurer på hvor realistisk det er å fortsette med dagens mengde flytrafikk, og bytte ut alt det fossile drivstoffet med biodrivstoff.

I følge en rapport fra Verdensbanken i 2012 brukte verdens flytrafikk totalt 246 Mtoe i løpet av år 2006. Dette er en energienhet som tilsvarer 2860 TWh, eller 2 860 000 GWh. Jeg regner med at energiforbruket er høyere i 2016 enn i 2006. På den annen side har nok flyene blitt mer energieffektive. Så jeg tror det er ganske greit å bruke tallet fra 2006.

Hvor mye areal ville vi trenge for å dyrke biodrivstoff som inneholder den samme mengden energi?

Planter bruker fotosyntese til å omdanne solenergi til kjemisk energi, slik som vi har i bensin og diesel. Mengden energi som kan omdannes av planter per areal avhenger av hvor mye sol som skinner på dem, og hvor effektivt de kan omdanne denne energien. I boka «Sustainable Energy Without the Hot Air» gir David MacKay en god oversikt over energieffektiviteten til forskjellige vekster. Det mest effektive er sukkerrør i Brasil, som kan gi oss en gjennomsnittlig effekt på omtrent 1,6 W per kvadratmeter. Om vi skal dyrke biodrivstoff i Nord-Europa kan vi få omtrent 0,5 W per kvadratmeter. Disse tallene tilsvarer henholdsvis 14 og 4,4 GWh per kvadratkilometer per år.

Vi kan altså dyrke nok biodrivstoff til å drive alle verdens fly dersom vi setter av 2 860 000 GWh / 4,4 GWh/km2 = 650 000 kvadratkilometer dyrket land til å bare lage biodrivstoff, i Europa. Eller vi kan bruke 200 000 kvadratkilometer av jordbrukslandet til Brasil.

Nettsiden TrendEconomy gir en god oversikt over hvor mye dyrket land vi har i verden. I Norge har vi for eksempel litt under 10 000 kvadratkilometer. Det monner ikke mye i flysammenheng. Det dyrkede arealet til Tyskland utgjør 167 000 kvadratkilometer, så om Tyskland hadde gått hundre prosent inn for det kunne de ha dekket litt under en fjerdedel av drivstoffbehovet til luftfarten.

Totalt dyrket areal i EU er 1 863 000 kvadratkilometer. Vi kunne nøye oss med en tredjedel av dette. Eller vi kunne ha klart oss med 7 prosent av Brasil sitt dyrkede areal, som er på 2 788 000 kvadratkilometer.

Dette er ekstremt forenklede beregninger, men sånne øvelser kan være nyttige. For eksempel gjelder tallene jeg har brukt er for de aller mest effektive plantene. Egentlig er mange enige om at vi trenger å bruke arealet vårt til å dyrke mat til verdens voksende befolkning, og at biodrivstoff skal lages av det vi kan kalle «avfall» fra annen planteproduksjon. For å få nok energi av dette må vi nødvendigvis ha enormt mye større arealer tilgjengelig.

For meg betyr ihvertfall dette at jeg ikke tror problemet med hyppig langdistansetransport av veldig mange mennesker har noen enkel løsning. Vær så snill og vær litt skeptisk neste gang du hører en politiker påstå noe annet.

(siden jeg sitter på buss og skriver og nettet er litt treigt, har jeg ikke fått wordpress-editoren til å fungere sånn som den pleier og jeg har ikke fått inn lenker. Derfor kommer de her:

Rapporten til Verdensbanken om energibruk i lufttransport – http://siteresources.worldbank.org/INTAIRTRANSPORT/Resources/TP38.pdf

Sustainable Energy Without the Hot Air – http://www.withouthotair.com/c6/page_43.shtml

TrendEconomy, arealstatistikk – http://data.trendeconomy.com/industries/Agricultural_Land_Total/Brazil?country=EuropeanUnion )


Legg igjen en kommentar

Klimasnill langtur?

I morgen får vi en ny doktor i familien, for da skal lillesøster forsvare doktoravhandlingen sin. Hurra! Tittelen er Exploring the Relevance of Uncertainty in the Life Cycle Assessment of Forest Products. Sånn passe tørt som en tittel på en doktorgrad skal være. I teorien er dette veldig spennende og ikke minst veldig viktig, siden det handler om hvordan vi kan få gjøre samfunnet mer bærekraftig og verden mindre utrivelig for fremtidige generasjoner.

Dette blir det selvfølgelig stort å være med på, men det er litt kjedelig at begivenhetene finner sted fryktelig langt borte, nemlig i Umeå. Og siden jeg har bestemt meg for å fly litt mindre, og det faktisk går an å komme seg til Umeå med tog fra Oslo, så er det sånn det foregår. Ettermiddagstog fra Oslo til Stockholm, og nattog videre til Umeå (luksuskupé med bare en seng, og egen dusj og do!). Toget fra Oslo er foreløpig bare en time forsinket, og siden toget til Umeå ligger bak oss i løypa skal dette gå greit. Jeg håper jeg får sove nok til å holde meg våken gjennom utspørringene i morgen.

IMG_5715

Å kjøre tog alene er helt glimrende. Man kan jobbe. Internett er det også. 

Spørsmålet er: Hvor klimavennlig er jeg egentlig nå?

Dette spørsmålet er slett ikke så lett å svare på som jeg skulle ønske – man må gjøre en hel masse antagelser før man får noen tall å sammenligne. Om jeg skulle tatt fly, hvor mange passasjerer skulle jeg ha delt det med? Var det et nytt eller gammelt, stort eller lite fly? Hvor kommer strømmen til toget fra? Har vi ikke solgt ut all vannkraften vår som klimasertifikater til Europa? Hvor mye energi går med på å vedlikeholde togskinner og rullebaner?

Jeg føler meg ganske komfortabel med å bruke tall fra transportogmiljo.no, der både Cicero, CIENS og TØI (solide klima- og transportforskningsmiljøer) er involvert. Her finner jeg følgende:

Et elektrisk tog bruker 0.12 kWh elektrisitet per person per kilometer, og utslippet per kWh er 210g CO2-ekvivalenter for en «nordisk energimiks» (altså ikke bare ren norsk vannkraft, men det synes jeg er greit når jeg kjører tog i Sverige). Disse tallene er tatt herfra.

For korte flyreiser (under 800 km) kan man beregne 400 g CO2-ekvivalenter per person per kilometer (tall herfra).

Min togreise er slik: Oslo-Stockholm, 523 km (i følge Google maps, om jeg hadde kjørt bil); deretter Stockholm-Umeå, 639 km. Jeg regner med at avstanden for fly blir litt kortere. For å være raus mot flytransporten kan jeg si 450 km Oslo-Stockholm og 550 km Stockholm-Umeå, altså 1000 km til sammen. Det gjør det lett å regne: 1000 km * 400 g CO2-ekvivalenter blir til sammen 400 kg utslipp.

Regnestykket for toget blir dette: 0.12 kWh/km * 210 g/kWh * (523 km + 639 km) = 29 kg utslipp.

Dette så jo fint ut. Jeg kan kjøre  denne reisen 14 ganger med tog før jeg har gjort like mye skade som jeg ville ha gjort med en flyreise.

Men – riktig så enkelt er det ikke. Jeg hadde oversett et tall om togene: Nettsiden oppgir at det koster 7 g CO2-ekvivalenter per personkilometer i vedlikehold av skinner og slikt. Dette gir meg 81 kg ekstra, mer enn dobbelt så mye som for strømmen til toget! Og plutselig var det mindre enn fire ganger verre å kjøre fly.

Her synes jeg ofte det strander i slike diskusjoner. Avhengig av hvordan man setter opp regnestykket, kan man komme frem til tall som gir akkurat det resultatet man er ute etter.  Hvor ble det for eksempel av vedlikeholdet av flyene? Utslipp i forbindelse med avising? Kjøreturen ut til flyplassen?

Nå synes jeg plutselig at min søsters doktorgradsavhandling ble superrelevant, og om det er vanskelig å sove på nattoget kan jeg kanskje lese og få noen svar – eller bare finne ut at alt er så komplisert at man bare må legge hodet på puta og sovne.

IMG_5718

Om svensk skog, i svensk skog.

AFM-en klar på mikroskopet inne i boksen sin.


1 kommentar

Nytt leketøy på plass!

Nå er labben enda kulere, for vi har fått en splitter ny AFM. Forkortelsen står for Atomic Force Microscope, noe som muligens kunne oversettes som atomkraftmikroskop, men det har ingenting med atomkraft (kjernekraft) å gjøre. Det AFM-en gjør er å måle kraften mellom en spiss nål og en overflate. Og om nålen er spiss nok, og det ikke er vibrasjoner i rommet og man stiller inn alle parametere riktig og så videre og så videre, så kan man gjøre dette så nøyaktig at man kan få et bilde av enkeltatomer på overflaten. Derav atomkraft – krefter mellom atomer.

I første omgang skal vi bruke det til to ting:

  1. «Ta bilder» av mineraloverflater. Vi kan gjøre eksperimenter inne i AFM-en, der vi har mineraler (enkeltkrystaller, altså) i en væske og ser på hvordan overflaten forandrer seg på nanoskala når den vokser eller løses opp. Eller vi kan ta bilder av overflater før og etter at vi har gjort ting med dem i andre eksperimenter.
  2. Måle krefter mellom overflater. Da bruker vi ikke en tynn nål, men limer fast en partikkel på «pinnen» nålen vanligvis er festet til. Det er dette jeg har gjort i eksperimenter som jeg har skrevet om på bloggen tidligere (her, for eksempel).

De siste eksperimentene gjør vi for å finne ut mer om hva som skjer når møtet mellom vann og stein gjør at steinen forandrer egenskaper. Nå er det ikke bare jeg som gjør eksperimentene: En PhD student, som allerede har gjort noen av dem i København, skal begynne på vår maskin neste uke. Og på slutten av året kommer en postdoc som skal gjøre lignende ting.

Vi fikk penger til å kjøpe denne utrolig kule maskinen som del av et ERC-prosjekt som Bjørn Jamtveit, professor ved PGP, fikk nylig. Det lønner seg altså å blande seg inn i store prosjekter. Før jul var jeg og Francois Renard, fransk professor tilknyttet PGP, på en tre dagers reise i Tyskland der vi besøkte forskjellige AFM-produsenter og fikk demonstrert utstyret deres og de alle gjorde sitt beste for å overtale oss til å kjøpe deres maskin. Etterpå  måtte vi skrive en utlysning til et offentlig anbud og vurdere tilbudene vi fikk. Ganske stressende og kompliserte greier, men heldigvis får vi glimrende hjelp fra fakultetet til slike prosesser (jeg gjorde jo det samme for SFA-en, så jeg begynner å bli dreven).

Forrige uke var temmelig intensiv og tettpakket med installering, demonstrering og opplæring på alt utstyret. Men nå er det på plass og jeg gleder meg som bare det til å komme i gang med å titte på ting på nanoskala. Med de to instrumentene vi har på labben nå (atomkraftmikroskopet og overflatekraftmikroskopet) kan vi få et ganske utfyllende bilde av hvordan forskjellige overflater påvirker hverandre når de er i kontakt. Jeg skal passe på å få lagt ut noen fancy AFM-bilder på bloggen etterhvert.


4 kommentarer

Dråpefysikk med lego

Vi ville at studentene på denne forskerskolen skulle få gjøre et praktisk eksperiment i tillegg til all kvantemekanikken og molekylærdynamikken. Men det er jo ikke alt vi gjør på labben som så enkelt lar seg transportere til et hotell på Gran Canaria og gjennomføres av 15 studenter på en gang. Heldigvis kan man lære mye av å studere dråper.

Utstyr: Utrolig kule, små lommelykt-aktige USB-mikroskop av typen DinoLite. Kalsittkrystaller, mikroskopglass, pipetter, vann, olje, sprit, hansker, skalpeller, og ikke minst tape, lego og lommelykten på mobilen.

IMG_5080

Resultat: Vinkelen mellom dråpen og underlaget varierer ut i fra hva du har hatt på underlaget før. Helt nye overflater av kalsittkrystaller fukter vann utrolig bra. Vinkelen for en dråpe som utvider seg er større enn en som krymper. Når en dråpe fordamper, beveger kontaktlinjen seg innover i periodiske rykk. Observasjoner stemmer overens med simuleringer tidligere i uken, med en del tolkning.

Nå er det snø på toppene her i syden, så det er på tide å dra hjem til vinterferien. Heldigvis er en av veiene til flyplassen fortsatt åpen.

IMG_5100

Følg meg

Få nye innlegg levert til din innboks.

Bli med 500 andre følgere