Het Iberisch Schiereiland draaide in korte tijd 35 graden

Tijdens het Aptiën, een periode van ongeveer 121 tot 112 miljoen jaar geleden, draaide het tegenwoordige Spanje en Portugal zo'n 35 graden tegen de wijzers van de klok in, waardoor de Golf van Biskaje ontstond. Tevens was het tijdsbestek waarin Spanje roteerde, heel erg kort, namelijk maar zo'n 9 miljoen jaar. In de eerste paar miljoen jaar roteerde het land sneller, want de ondergrond was nog relatief warm en door de afkoeling vertraagde de draaiing ook.

In tegenstelling tot wat altijd gedacht werd, ontstonden hierdoor niet de Pyreneeën, want het draaipunt lag ten oosten van het Organyà Bekken. De Pyreneeën konden pas ontstaan nadat Iberië een flinke oostwaartse beweging maakte en daarna met een noordwaartse beweging de Pyereneeën vormde.

Belangrijk aan dit onderzoek is, dat de ontstaansgeschiedenis van de Pyreneeën en de hier gelegen bekkens beter te plaatsen zijn.

(Bron: Universiteit Utrecht)

Honderd jaar Leiden koudste plaats op aarde

Honderd jaar geleden slaagde Heike Kamerlingh Onnes er als eerste in heliumgas vloeibaar te maken. Leiden werd daarmee de koudste plaats op aarde. Donderdag 10 juli wordt met de onthulling van een borstbeeld en de opening van verschillende tentoonstellingen hierbij uitgebreid stil gestaan. 

Foto: Gerrit Jan Flim (links) en Heike Kamerlingh Onnes bij de installatie voor vloeibaar helium. Foto Leiden Institute of Physics.

Koudste plekje

Vrijdag 10 juli 1908 was een zeer middelmatige zomerdag. Het kwik kwam in De Bilt die dag niet boven de 21 graden en het egaal grijze wolkendek zal zich ook wel uitgestrekt hebben tot boven Leiden. Alles bij elkaar was het weerbericht geheel vergelijkbaar met dat van precies 100 jaar later. Aan de andere kant deed het er eigenlijk niet zo veel toe hoe koud of warm het werd. Leiden had die dag in ieder geval toch het koudste plekje dat er ooit op aarde geweest was: in het laboratorium van Heike Kamerlingh Onnes aan de Steenschuur.

Van der Waals

Kamerlingh Onnes was al sinds 1882 deelnemer aan de internationale race om de koudste temperatuur op aarde te bereiken. ‘Zijn koudeonderzoek was geen doel op zich, maar een middel om een wetenschappelijk programma dat hij had opgesteld, uit te kunnen voeren’, vertelt Dirk van Delft, hoogleraar Materieel erfgoed van de Natuurwetenschappen en directeur van Museum Boerhaave. ‘En hij was daar vanaf zijn aanstelling in Leiden onmiddellijk mee begonnen. Hij wilde de theorie van Johannes Diderik van der Waals toetsen.’ Van der Waals was in 1877 in Leiden gepromoveerd op zijn beroemd geworden verhandeling Over de continuiteit van den gas- en vloeistoftoestand. 

  

Gecontroleerde manier

Van Delft: ‘Wil je de overgang van vloeistof naar gas waarnemen en onderzoeken, dan moet je dat gas wel eerst vloeibaar zien te maken. Bovendien werk je als fysicus het liefst met eenvoudige stoffen, dus geen organische of chemische verbinding met vele soorten atomen, maar iets simpels als zuurstof of stikstof. Juist gassen bestaande uit eenvoudige moleculen worden pas bij extreem lage temperaturen vloeibaar. De overgangstemperatuur van zuurstof (-183º C) en stikstof (-196º C) was al sinds 1877 bekend. Het was voor Kamerlingh Onnes dus niet meer de sport om die gassen vloeibaar te krijgen, maar wel in grote hoeveelheden op een gecontroleerde manier, zodat je er experimenten mee kon doen.’

Joule-Thomsonkoeling

Later kwam ook waterstof (-253º C) in beeld als kandidaat om vloeibaar gemaakt te worden. Dat werd mogelijk met de zogenoemde Joule-Thomsonkoeling die in 1895 werkbaar werd. ‘De Joule-Thomsonkoeling werkt volgens het omgekeerde principe van een fietspomp’, vertelt Peter Kes, hoogleraar Experimentele natuurkunde. ‘Als je een band oppompt worden door het samenpersen van de lucht de slang en het ventiel heet. Als je nu een gas dat eerst onder hoge druk is gebracht, laat uitzetten, wordt het juist heel koud.’ Kamerlingh Onnes bouwde in het laboratorium aan de Steenschuur een fabriek waarmee volgens dit principe gassen steeds kouder gemaakt konden worden.

Absolute nulpunt

In hetzelfde jaar van de Joule-Thomsonkoeling werd voor het eerst helium op aarde aangetoond. Helium is het gas dat Kamerlingh Onnes op 10 juli 1908 met succes vloeibaar maakte. Helium heeft van alle elementen het laagste kookpunt, 4,2 Kelvin, dus ruim vier graden boven het absolute nulpunt (-273,15º C). Van Delft: ‘Kamerlingh Onnes’ doel was niet zozeer om het absolute nulpunt te bereiken, maar om stap voor stap al de gassen vloeibaar te krijgen, die hij voor zijn onderzoek wilde gebruiken. Helium was voor hem koelmiddel en onderzoeksstof tegelijk. Hij wilde de wet van de overeenstemmende toestanden van Van der Waals controleren. En hij wilde zien welke afwijkingen er eventueel optraden en aan de hand van die afwijkingen de wetten bijstellen en iets over de structuur van moleculen en hun onderlinge aantrekkingskracht te weten te komen.’

Spiraalbuis

In het apparaat van Kamerlingh Onnes liep het heliumgas door een spiraalbuis. Aan het eind van de kringloop kwam het uiteindelijk bij een soort prop uit, waar het onder hoge druk doorheen ging en expandeerde. Van Delft: ‘Dan koelt het dus een beetje af en de volgende ronde koelt het weer een beetje meer af. Als je dat maar steeds herhaalt, zakt de temperatuur naar steeds lagere waarden. Van belang daarbij is de kritische temperatuur. Die is voor ieder gas verschillend. Je moet beneden de kritische temperatuur zitten om het vloeibaar te kunnen krijgen.’ Kes: ‘De temperatuur van vloeibaar helium is 4,2 K(elvin) bij een druk van één atmosfeer. Als je die druk verlaagt door de heliumdamp weg te pompen, wordt het op zijn koudst 1,5 K. Kamerlingh Onnes haalde honderd jaar geleden 1,8 K.’

Supergeleiding

Toen Kamerlingh Onnes eenmaal vloeibaar helium had, wilde hij het ook kunnen gebruiken voor zijn experimenten. Daarvoor moest hij het zien over te hevelen naar een apart vat, met voldoende ruimte om er een te onderzoeken preparaat in te hangen. ‘Dat lukte hem in 1911’, zegt Kes. ‘Kort daarna heeft hij in een dun glazen buisje gevuld met bevroren kwik supergeleiding – het wegvallen van de elektrische weerstand in een metaal beneden een voor dat metaal karakteristieke temperatuur – ontdekt.’ De principes van de koeling met vloeibaar helium en supergeleiding worden tegenwoordig veelvuldig toegepast in onder andere MRI-scanners. Door de supergeleiding produceren de enorme elektromagneten in dat apparaat geen warmte, zodat ze kunnen worden gebruikt bij het scannen van levend weefsel.  

  

Sluitstuk

Van Delft: ‘Het vloeibaar maken van helium in 1908 was het sluitstuk van een strak doordachte en met heel veel organisatietalent doorgevoerde megaoperatie. Het stichten van de instrumentmakerschool die technische ondersteuning bood, al die activiteiten om geld los te peuteren: Kamerlingh Onnes was behalve een goed fysicus ook een uitstekend organisator. Allemaal met het doel de koudefabriek te bouwen en helium vloeibaar te maken. Toen hij dat allemaal achter de rug had, kwam de supergeleiding als een geschenk uit de hemel vallen. Enerzijds dat grote planmatige en anderzijds het doen van een totaal onverwachte ontdekking.’

Stapjes

Honderd jaar na Kamerlingh Onnes’ succes doet Leiden nog steeds mee in de race om de laagste temperatuur te bereiken. Alleen gaat het nu niet meer om stappen van hele graden Kelvin, maar om stapjes van milli- en micrograden. Kes: ‘We streven ernaar om het onderzoek de richting op te buigen dat je koude echt nodig hebt om nieuwe fenomenen te onderzoeken.’ Dirk Bouwmeester koelt met een optische methode microspiegeltjes en wil daarbij een zo laag mogelijke uitgangstemperatuur bereiken, terwijl Tjerk Oosterkamp wil gaan onderzoeken hoe eiwitten in een membraan gevouwen zitten. Om de plaats van alle moleculen te kunnen bepalen moet hij zijn experiment ook bij hele lage temperatuur uitvoeren, bij 0,1 milligraad.

(Bron: persbericht Universiteit Leiden)

Tijdens het opruimen van mijn mailbox kwam ik dit persbericht tegen. Het is in het licht van de LHC die binnenkort gestart wordt (10 september) een gedenkwaardig bericht, aangezien men bij het Cern de magneten in de deeltjesversneller afkoelt tot 1,9 Kelvin (-271,1 graden Celcius) zodat de magneten supergeleidend worden. 

Mars - Phoenix

De Phoenix is op Mars druk bezig met bodemonderzoek. Dat ondanks al het testen van te voren, toch niet alles helemaal vlekkeloos verloopt, blijkt dan maar weer.

Wat gebeurde er? Een robotarm moest Mars grond in een oven zien te krijgen. Dit zou vrij simpel moeten zijn: de robotarm schept grond op, leegt het schepje boven het klepje wat open schuift en een paar korreltjes Marsgrond in de oven laat vallen, waarna het klepje dicht gaat en de oven zijn werk gaat doen.

Helaas, de grond van Mars blijkt een stuk plakkeriger te zijn dan men dacht. De TEGA (Thermal and Evolved Gas Analyzer) bleef steken. Althans, het klepje. Na enkele keren heen en weer gegaan te zijn bleef de boel steken. Gelukkig is het uiteindelijk goed gekomen en zit er Marsgrond in een oventje.

Dit oventje gaat dan op hoge temperatuur de grond verhitten, waardoor bepaalde stoffen zullen verdampen en er gemeten kan worden of er water in gebonden vorm aanwezig is en andere zaken, zoals kooldioxid, mineralen en andere organische stoffen, zoals methaan. Dit gebeurt met een spectrum analyse

(Bron: NASA)

Grootste en langste koffiestudie ooit

Een stevige bak koffie kan soms als redder in nood voelen. Nu blijkt uit een van de langstlopende studies rond koffiedrinken dat het je levensverwachting wel eens zeer positief zou kunnen beïnvloeden, tenminste als je er genoeg van drinkt.

De studie nam zo'n 20 jaar in beslag en in totaal werden er 129.000 mannen en vrouwen gevolgd. Het blijkt dat bij consumptie van meerdere koppen (lees: vijf tot zeven) per dag de kans op hartziekten significant afneemt (denk dan aan: hartaanvallen, ritmestoornissen of beroertes). Er is overigens wel een groot verschil tussen mannen en vrouwen. Vrouwen hebben 34% minder kans op hartfalen terwijl mannen wel 44% minder kans krijgen.

De studie staaft de hypothese dat koffie hartfalen kan remmen, misschien doordat het ontstekingsreacties aan het begin van de ziekte remt of helpt te overwinnen.

Het is echter te vroeg om te gaan juichen voordat er verklaard wordt dat het goed is om vijf tot zeven koppen per dag te drinken. Daar is toch weer meer en gerichter onderzoek voor nodig.

Men vermoedt echter en soort ontstekingsremmer in koffie. Toch blijft het zo dat veel cafeïne niet goed is voor de bloeddruk op korte termijn.

(Bron: New Scientist)

De dampkring van HD 209458 b gezien vanaf de aarde

We hebben het hier niet over de nieuwste High Definition tv, maar over een planeet die zijn baantjes draait rond ster HD 209458. De planeet die rond deze Zon-achtige ster heen draait heeft een atmosfeer en deze atmosfeer is gezien vanaf het aardoppervlak door Leidse sterrenkundigen.

Men deed de onderzoekingen met de Japanse Subaru-telescoop die te vinden is op het eiland Hawaii. Waarom is dit dan zo belangrijk? De Hubble-telescoop in de ruimte kan dat toch ook allemaal zien? Dat klopt inderdaad, alleen is de Huble-telescoop best klein in vergelijking met wat we op Aarde kunnen bouwen, alleen hebben we hier op de grond altijd last van die onhandige atmosfeer en alle verstrooiing en verstoring van dien.

De ontdekking dat een goede meting gedaan kon worden vanaf het aardoppervlak schept vele nieuwe mogelijkheden. Maar hoe deed men dat dan? Men paste een techniek toe die absorptie spectrografie heet. Men meet dan welke straling in het 150 jaar eerder uitgezonden licht niet gemeten wordt, in dit geval die van natriumatomen.

(Bron: Universiteit Leiden)

Wat nou als een vliegtuig zichzelf kon repareren…

Zo ver zijn we helaas nog niet. Men is een oplossing voor dit probleem wel op het spoor en afgekeken van de natuur natuurlijk.

De techniek is simpel: als er een klein gaatje of een scheurtje verschijnt, dan ‘bloed’ er als het ware epoxy-hars naartoe via ingebedde vaten. Zo wordt het gaatje of scheurtje gerepareerd. Als er dan ook nog een verfstof doorheen gemixt wordt, dan is de plaats van de scheur nog makkelijk terug te vinden ook en kan men eventuele grotere reparaties uitvoeren.

Deze simpele techniek, die vergelijkbaar is met hoe bij onszelf schrammen en sneetjes geheeld worden, kan mogelijk overal waar vezelversterkte polymeerstructuren (FRP) gebruikt worden, worden toegepast.

Dit klinkt allemaal vrij simpel, maar waarom blijft de kunsthars vloeibaar? De hardener en de hars zijn van elkaar gescheiden. Als de vezels bereken, lekken de hars en de hardener naar de plaats van de scheur toe, mengen daar en harden uit. Volgens de huidige onderzoekingen zou het materiaal 80 tot 90% van de sterkte terugkrijgen.

Het toevoegen van structuren van vaten aan door de mens gemaakte structuren geeft natuurlijk al snel het gevoel dat er cylon-achtige machines aankomen. Men is inderdaad al bezig met structuren waarbij het vatenstelsel continue stroomt en er dus een constante stroom is van vers reparatiemateriaal.

(Bron: Engineering and Physical Sciences Research Council)

De kleur van planten op andere planeten

Onze zoektocht naar andere planeten waar leven zou kunnen bestaan gaat onverminderd voort. Sinds 1995 zijn er al meer dan 280 exoplaneten ontdekt (planeten buiten ‘ons’ zonnestelsel). We kunnen nog niet vertellen of deze planeten ook leven zouden kunnen herbergen, maar het is slechts een kwestie van tijd voordat we daar achter komen...

Op andere planeten zouden planten rood, blauw of zelfs zwart kunnen lijken (zoals de Aarde vanuit de ruimte voor ons als groen/blauw door het leven gaat), afhankelijk van het type ster (de zon is het G-type) waar ze omheen draaien en de planten daar ook via fotosynthese energie verkrijgen.

Waarom moeten we dan misschien naar andere kleuren kijken? Dit heeft alles te maken met het spectrum wat uitgezonden wordt door de ster waar de planeet omheen draait. Als er namelijk gebruik wordt gemaakt van fotosynthese, dan klinkt het logisch dat het organisme de meest energierijke straling opneemt. In het geval op Aarde ligt de piek van het energiespectrum in het blauw-groen en toch zien de meeste planten er groen uit. Dit klinkt dus onlogisch en zo lijkt het dat planten het beste licht reflecteren. Het antwoord ligt in het feit dat fotosynthese niet afhankelijk is van de totale hoeveelheid lichtenergie, maar van de energie per foton en het aantal fotonen die het licht maken.

Blauwe fotonen hebben meer energie dan rode, maar de zon straalt meer rode uit. Planten gebruiken blauwe fotonen voor hun kwalitatieve eigenschappen, terwijl de rode worden gebruikt om hun kwantitatieve. De tussenliggende groene fotonen hebben geen van beide eigenschappen: niet de energiehoeveelheid en niet het grote aantal, dus reflecteren ze hier meer van.

Er zijn nog vele andere factoren die het invallende licht op een planeet kunnen beïnvloeden wat tot gevolg heeft dat men er niet klakkeloos vanuit kan gaan dat het spectrum wat een ster uitstraalt ook daadwerkelijk het spectrum is dat op het oppervlak terecht komt. Op Aarde is in de bovenste lagen van de atmosfeer het aantal gele fotonen het grootst (golflengen tussen de 560 en 590 nanometer). Het aantal fotonen neemt door de atmosfeer gradueel af bij langere golflengen en veel sneller bij de kortere golflengten. Het zonlicht wordt opgenomen door waterdamp, wat onder andere infrarood licht opneemt. Zuurstof laat zich vinden doordat het licht absorbeert tussen de 687 en 761 nm. Het ultraviolette licht wordt zeer sterk door ozon opgenomen (zichtbaar licht).

Doordat er zoveel wordt opgenomen door de atmosfeer, is het aantal gele fotonen wat de aarde bereikt, kleiner dat het aantal rode (rond de 685 nm). Planten hebben zich aan dit spectrum aangepast. Dat de eerste organismen die fotosynthese gebruikten, andere kleuren chlorofyl gehad zullen hebben, spreekt bijna voor zich, aangezien er eerst vrijwel geen zuurstof in de atmosfeer zat.

Er is sterk bewijs dat er al zo’n 3,4 miljard jaar geleden organismen waren die fotosynthese gebruikt zouden kunnen hebben. Deze zouden onder water begonnen zijn omdat in water makkelijk veel voedingsstoffen oplossen en dus veel biochemische reacties kan laten plaatsvinden en omdat er nog vrijwel geen ozonlaag was, water is ook een goed schild tegen UV straling. Deze eerste onderwater bacteriën absorbeerden infrarode fotonen. Deze eerste onderwaardeerbacteriën produceerden nog geen zuurstof. Pas zo’n 2,7 miljard jaar terug begonnen cyanobacteriën in de oceanen met het produceren van zuurstof. Langzaam kwam er meer zuurstof in de atmosfeer waardoor rode en bruine algen konden ontstaan. Met meer atmosfeer, werd ook ondieper water veiliger en groene algen verschenen.

Het is voor wetenschappers een aardige klus om uit te zoeken of we dus mogelijk te maken hebben met een planeet met daarop organisch leven. Maar er is een andere hele belangrijke factor voor leven. De ster waarnaast de planeet zich bevindt. Ten eerste moet de ster lang genoeg kunnen leven om complex leven te kunnen laten ontstaan. Astronomen bepalen het type ster dan ook kleur wat dan weer correspondeert met temperatuur, grootte en levensduur. Slechts enkele typen leven lang genoeg om complex leven een mogelijkheid te geven te ontstaan.

Rond een ster bevindt zich de zogenaamde ‘Goldilock’ zone. Dit is de zone waar het nog warm genoeg is voor water om vloeibaar te zijn. Bij rode dwergen staat de planeet dan mogelijk zo dicht bij, dat het moeilijk wordt om de planeet te kunnen ontdekken. En de vegetatie rond sterren met weinig straling, is die dan misschien zwart voor onze ogen omdat alle licht geabsorbeerd wordt?

Onze Aardse ervaringen kunnen we niet zomaar loslaten op andere sterren en planeten. En voor alle type sterren geldt: is het stuk land op de planeten groot genoeg om door ons waargenomen te worden? Wanneer kunnen we telescopen verwachten die zo krachtig zijn dat ze ook daadwerkelijk dingen kunnen onderscheiden? Wat voor golflengte moet gemeten worden? Uiteindelijk komt het erop neer dat de kennis van onze eigen planeet het belangrijkste is om begrip te krijgen van wat er ver weg gebeurt.

Biosignaturen:
Zuurstof + water
Ozon
Methaan
Methylchloride
Stikstofdioxide

Interessante link: www.stellarium.org

(Bron: Scientific American, April 2008)