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


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.

(Harvard har laget en fin skrytevideo om funnet.)


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

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.


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


Legg igjen en kommentar

Menthos og cola!

På torsdag hadde jeg gleden av å snakke om fysikk for 200 videregående-elever på besøk på Blindern. Siden jeg fikk lov til å snakke om hva jeg ville, sørget jeg for et tema som passet til å gjøre menthos i cola-trikset. For det er gøy.

Siden jeg ikke har gjort dette så ofte, måtte vi trene hjemme kvelden før. Da jeg foreslo at jeg skulle bruke hele menthospakken løp barna og gjemte seg. Det viste seg i ettertid at de hadde gjort noe litt mer heftig i barnehagen – nemlig å helle en hel menthospakke i colaflasken, sette på lokket, og deretter se flaska eksplodere – så det var ikke så rart at de var skeptiske til å gjøre dette hjemme. Vi ble enige om å bruke fire menthos, og det gav en gøyal men lett å tørke opp colavulkan.

Screenshot 2016-02-13 09.18.44

Hva er det som skjer?

Når man lager brus, tilsetter man CO2 under høyt trykk. Desto høyere trykket er, desto flere CO2-molekyler er det plass til i vannet. Når flasken åpnes, faller trykket plutselig og gassmolekylene får veldig lyst til å unslippe. Men det er ikke så lett. De kan slippe unna ved luftoverflaten i toppen, men veien dit er evig lang for molekylene langt nede i flaska. Den andre rømningsveien er gjennom bobler, men disse boblene er det ganske vanskelig å lage. Derfor befinner colaen i den åpnede flasken seg i en metastabil tilstand. Det betyr at den ikke trives sånn som den har det, men at den ikke greier å ta steget over i en mer stabil tilværelse.

Menthosene jeg slipper i flaska har en ru overflate av et stoff som vannet ikke liker. Her har gassmolekylene en glimrende anledning til å samle seg og danne bobler. så stiger boblene opp til overflaten, drar med seg vann og sukker oppover og lager en skumfontene. Det er sukkeret og fargen og andre stoffer i menthosene og colaen som gir det morsomme skummet – det samme skjer om du heller sand i farris, men med en mye mindre og kjedeligere fontene.

Google har forresten fortalt meg at det blir enda bedre om du bruker lettbrus. Og hvis du vil gjøre det skikkelig profesjonelt kan du kjøpe spesialdesignede menthosholdere fra Andreas Wahl.

 

Hva med gravitasjonsbølgene?

Jada, det var viktigere ting som skjedde på torsdag. Helt revolusjonerende fantastisk, faktisk. Det kan du lese om på Maria Hammerstrøm sin blogg.


Legg igjen en kommentar

Ørkenbillen og det forsinkede flyet

I den namibiske ørkenen, der ingen skulle tru at nokon kunne bu, lever en bille ved navn Stenocara gracilipes. Om morgenen, når tåken ruller inn fra havet, klatrer billen opp på toppen av en sanddyne og stiller seg med rumpa opp. Etterhvert danner det seg vanndråper på ryggen til billen. Når dråpene har blitt store nok, løsner de og triller nedover til billens munn. Slik blir den stående til den har fått nok vann til å klare seg resten av dagen.

5727784378_89665f9f1c_z

Namibisk ørkenbille. Denne heter Onymacris unguicularis, men fungerer på samme måte som vår venn stenocara. Bilde: James Anderson/Flickr/CC license

Det som får dråpene til å vokse er at ryggen til billen er dekket av et mønster med hydrofile, vannelskende, humper på en hyrofob, vannhatende, bakgrunn. Vannet i tåken fester seg til de hydrofile humpene og bygger seg opp til større og større dråper, som ikke vil spre seg utover på det hydrofobe underlaget. Siden de har en relativt liten overflate å henge seg fast i, løsner de når de har kommet over en viss størrelse, og kan trille fritt nedover som en dråpe på et marikåpeblad.

Denne geniale billeteknologien har forskere en god stund brukt som utgangspunkt for overflater som kan høste drikkevann fra luftfuktighet i tørre områder. Men det er mer. Som vi kjenner godt til, kan fuktig luft fryse på overflater. Dette kan skape forsinkelser i flytrafikken fordi flyene må stå i kø for å komme bort til den sci-fi aktige avisningsmaskinen. Her sprayes gufne eller mindre gufne kjemikalier på flyvingene for å senke frysepunktet, slik at det blir mindre sjanse for nedising. Kanskje ørkenbillen kan gi oss et hint om hvordan dette kan gjøres bedre?

Svaret er selvfølgelig ja, og her kommer oppdagelsene på løpende bånd. I desember i fjor ble det publisert en artikkel der man viser hvordan avisingen kan gjøres bedre ved å spraye på frostvæsken som små dråper istedenfor en sammenhengende hinne. De små dråpene av frostvæske er nemlig slik at de gjerne vil ha mer vann i seg. Når vanndampen kommer i nærheten av disse dråpene, og får valget mellom å starte en ny liten dråpe på underlaget ved siden av eller å hoppe inn i frostvæskedråpen, velger de helst det siste. Om  disse dråpene legges med passe stort mellomrom, vil de dermed holde overflaten tørr mellom seg. Vannet som har havnet i frostvæsken blandes fort med resten av dråpen, slik at frysepunktet holdes lavt. Om man legger frostvæsken jevnt utover hele flyvingen, skjer blandeprosessen treigere, og det vil lettere kunne dannes et lag med nesten rent vann på toppen av hinnen, som kan fryse til is. Derfor er dråpemetoden mer effektiv.

Det neste forslaget, som ble publisert i Nature nå i januar, er å kle flyvingen i en ørkenbille-drakt. Da vil vannet samle seg på de vannelskende flekkene, med tørre områder imellom, som i eksempelet over. I dette tilfellet fryser vanndråpene ganske kjapt til is. Men, siden flekkene sitter forholdsvis langt fra hverandre, utvikler ikke dette seg til et sammenhengende ispanser. Kan det være bedre å få litt is på flyvingen, på en kontrollert måte, enn plutselig og ukontrollert isvekst? Isåfall kan dette være veien å gå.