Duurzame Energie — Zonder De Gebakken Lucht

Van mijn ouders leerde ik dat er maar twee manieren zijn om rijk te worden: meer geld verdienen, of minder uitgeven. Dit lijkt een open deur, maar denk er eens een momentje over na.

Omdat voor sommigen straks de kerstvakantie begint — en omdat de Scheikundejongens zich even met andere dingen bezig moeten houden — wil ik jullie graag een boek aanraden: “Sustainable Energy — Without the Hot Air” door David MacKay. Prof. MacKay heeft de leerstoel natuurfilosofie van het departement natuurkunde aan de universiteit van Cambridge, is adviseur voor de Britse overheid over klimaatveranderingen en heeft een Erdosgetal van 2.

Terug naar rijk worden. Het boek van prof. MacKay is er eentje precies in de stijl als mijn argument tegen snel autorijden. Geen moeilijk gedoe met allemaal gevoelens of koffiedik kijken. Gewoon begrijpelijke getallen, een sommetje hier, een grafiekje daar en duidelijke conclusies. Helaas is het boek in het Engels (en vertaald in nog wat niet-Nederlandse talen), maar wel in simpel Engels. Het is niet alleen simpel omdat hij niet veel moeilijke woorden gebruikt, maar omdat de concepten en discussies die hij uitlegt van een eenvoudig niveau zijn. Zo eenvoudig als de lering van mijn ouders: je kan maar op twee manieren besparen. Maak meer of verbruik minder.

Het boek is zowel fysiek te koop, als digitaal gratis te downloaden (legaal). Kopen kun je hem bij Bol.com of Amazon, downloaden hier in pdf en hier in epub, Kindle en mobi. Een interessante presentatie door prof. MacKay is hier te bekijken.

De Magie van Wetenschap

In het programma De Magie van Wetenschap van de omroep HUMAN worden zeven briljante wetenschappers geportretteerd uit allerlei disciplines: van wiskundige Hendrik Lenstra en theologe Ellen van Wolde tot stamcelonderzoeker Hans Clevers. Het programma wordt gepresenteerd door mathematisch fysicus, en tevens voorzitter van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen, Robbert Dijkgraaf.

Afgelopen zondag was het de beurt aan theoretisch fysisch-chemicus Theo Odijk. Odijk kreeg op zijn zevende een scheikundeboek van zijn vader en was gelijk verkocht. Ook ontdekte hij al vroeg zijn liefde voor wiskunde. Tekenend is bijvoorbeeld dat hij als tiener raketten bouwde en dat hij van te voren wou kunnen uitrekenen hoe hij een raket moest bouwen om een bepaalde hoogte te kunnen bereiken.

Odijk is door rugproblemen al een tiental jaar aan bed gekluisterd. Dit is erg vervelend, maar tegelijk geeft hem dit wel de tijd om diep over van alles na te denken. Een erg indrukwekkende reportage. Bekijk de aflevering hieronder of op uitzendinggemist. Andere afleveringen uit deze serie vind je hier.

Get Microsoft Silverlight
Bekijk de video in andere formaten.

Arseenetende bacterie?

Vorige week verbaasde de NASA de wereld met een artikel over een bacterie die bij gebrek van fosfor, arseen kon gebruiken als bouwsteen. Of beter gezegd, de bacterie zou arsenaat (AsO43-) in plaats van fosfaat (PO43-) kunnen gebruiken. Je vraagt je misschien af: waarom is dat bijzonder?

Van een zestal elementen uit het periodiek systeem wordt gedacht dat ze essentieel zijn voor leven zoals we dat op aarde kennen. Waterstof, koolstof, stikstof, zuurstof, zwavel en fosfor komen we in elke levensvorm wel tegen. Natuurlijk zijn er ook andere elementen nodig, maar die zijn vaak wel vervangbaar door een ander element. Een mooi voorbeeld hiervan vind ik het eiwit hemoglobine. Dit eiwit zit in rode bloedcellen en is bij veel dieren (waaronder mensen) verantwoordelijk voor het transport van zuurstof en koolstofdioxide. In het actieve centrum van dit eiwit zit een ijzeratoom, wat het zuurstof bindt en waaraan bloed zijn rode kleur dankt. In een aantal diersoorten, zoals sommige krabben, zit echter geen hemoglobine, maar hemocyanine. Dit eiwit heeft dezelfde functie, maar bevat koper in plaats van ijzer. Deze diersoorten hebben hierdoor overigens ook geen rood bloed, maar blauw bloed.

Terug naar fosfor. In veel biologische verbindingen komt fosfor voor. Denk bijvoorbeeld aan DNA en RNA, die een ‘ruggengraat’ hebben die bestaat uit fosfaatesters. Als een cel (of dat er nu een van een mens of van een bacterie is) wil delen, dan is er dus onherroepelijk een bron van fosfor nodig om bijvoorbeeld het nieuwe DNA-kopie te kunnen maken.

DNA bestaat uit de vier basen Adenine, Thymine, Cytosine, Guanine (afgekort met A, T, C en G). De basen zitten aan elkaar via een fosfodiësterbinding.

De NASA heeft een bacterie ontdekt die goed blijkt te kunnen overleven in een omgeving met een hoge arseenconcentratie. De bacterie heet GFAJ-1 en is ontdekt in Mono Lake, Californië. Dit meer bevat van nature een relatief hoge concentratie arseenverbindingen (200 µM). Aangezien arseenverbindingen vaak giftig zijn, is het op zich al bijzonder te noemen dat een bacterie in dit meer kan overleven. Er zijn echter ook bacteriën die in bijvoorbeeld zwavelzuur of bij vulkanen overleven, dus in dat opzicht is de ontdekking niet revolutionair. De onderzoekers van de NASA claimen echter ook dat de bacterie het arseen kan inbouwen in het DNA in plaats van fosfor als laatstgenoemde niet voorhanden is. Dit suggereert dat fosfor misschien niet zo essentieel is als gedacht en dit stuit wél veel op weerstand. Fosfor is zo wijdverspreid in biomoleculen dat je niet verwacht dat je zomaar alle fosforatomen kunt vervangen door arseenatomen en dat alles dan keurig blijft werken.

Zoals eerder genoemd bestaat DNA uit fosfaatesters, of meer specifiek fosfodiësters: elke fosfaatgroep maakt twee esterbindingen. Hoewel arseen en fosfor allebei in groep 15 van het periodiek systeem staan, is de verwachting dat DNA met arseen een stuk minder stabiel is dan de normale variant. In het verleden is namelijk al eens onderzoek gedaan naar de stabiliteit van arsenaatesters en daaruit is gebleken dat triësters en diësters in water snel uit elkaar vallen. Snel is in dit geval een paar minuten. Hoewel een bacterie wellicht methodes heeft om dit tegen te gaan, zou dit bij de analyse wel een probleem moeten vormen. De extractie van het DNA uit de bacteriën te halen duurt enkele uren en het DNA is bij deze procedure opgelost in water. Het DNA van de bacterie die groeide met arseen zou dus stuk moeten zijn gegaan, maar bleef heel. Ook ontbreekt er sterk bewijs dat het arseen überhaupt is ingebouwd in het DNA. Er wordt wel wat bewijs aangevoerd, maar er kan zeker niet worden uitgesloten dat er een beetje arseen uit het groeimedium is meegekomen dat de resultaten beïnvloedt. De daarvoor benodigde controle-experimenten zijn simpelweg niet uitgevoerd.

In het artikel wordt beschreven of de bacterie groeit in aanwezigheid van arseen en afwezigheid van fosfor, en het omgekeerde. Helaas blijkt dat het groeimedium met ‘alleen’ arseen (tot 40 mM), vervuild is waardoor er toch nog nog een beetje fosfor (~ 3 µM) aanwezig is. Dat klinkt weinig, maar in de Sargassozee zit honderd keer minder fosfor (~ 10 nM) en daarin groeien bacteriën ook nog prima. In het artikel van de NASA worden ook nog de bacterieconcentraties in de verschillende groeimedia genoemd. Zoals Rosie Redfield in haar blogpost laat zien, is eenvoudig uit te rekenen dat dit ‘beetje fosfor’ meer dan genoeg is voor al het DNA van die bacteriën. Daarnaast barst het in Mono Lake van het fosfaat (~1 mM), dus een evolutionaire drijfveer om arseen in plaats van fosfor te gaan gebruiken is er ook al niet. Jammer.

Hoewel het erg leuk zou zijn als de beweringen van de NASA zouden kloppen, rammelt het artikel dus aan alle kanten. Er is geen direct bewijs dat het arseen daadwerkelijk is ingebouwd, het groeimedium was vervuild en er zijn geen goede controle experimenten gedaan. Het laatste woord is hier nog niet over gezegd. Vooralsnog lijkt het erop dat de NASA ‘slechts’ een arseenbestendige bacterie heeft gevonden die ook kan overleven als er weinig fosfaat aanwezig is. Dat op zich is erg interessant, maar niet zo revolutionair als de NASA ons wil doen geloven.

Lees ook: persbericht NASA, pdf NASA-artikel, en de blogposts van Rosie Redfield en Alex Bradley.

Waarom sneller autorijden dom is

Het nieuwe kabinet heeft een heleboel nieuwe plannen. Als student ben ik het natuurlijk niet eens met de meeste plannen die te maken hebben met onderwijs en als onderzoeker ben ik het niet eens met een aantal van de investeringsplannen. Al die ideeën hebben voors en tegens en daar zou ik ellenlange artikelen over kunnen schrijven. Iedereen zou z’n ongezouten mening kunnen geven en met opgeheven kin zouden we uitgepraat raken.

Nu is er een discussie waar we erg kort over kunnen zijn, die ik graag even wil behandelen. Een simpele ja/nee-kwestie. Moeten we dit doen, of niet. Er wordt ook erg kort gesproken over deze kwestie, maar helaas komt de tegenpartij op een andere uitkomst dan ik. En een erg domme uitkomst ook. Ik zal het jullie uitleggen. De stelling:

Is het een goed idee om de maximum snelheid op bepaalde autosnelwegen te verhogen van 120 km/h naar 130 km/h?

Natuurlijk is het lekker om wat harder op het gaspedaal te kunnen drukken, maar getallen liegen niet, dus we doen een sommetje. Meestal zitten we in de auto om ergens te komen, dus de eerste vraag die we onszelf stellen is de volgende:

Hoeveel sneller is het als een auto van Groningen naar Weert rijdt (~300 km) en in plaats van de volle afstand 120 km/h, 130 km/h rijdt?

Dan is er nog een tweede vraag die wij onszelf moeten stellen. We geven om het milieu, dus is de volgende deelvraag:

Hoeveel meer brandstof verbruikt een auto die van Groningen naar Weert rijdt (nog steeds ~300 km) en in plaats van de volle afstand 120 km/h, 130 km/h rijdt?

Beiden niet zo lastig uit te rekenen, toch? Als je het leuk vindt (en dat doe je), stop hier met lezen en reken het zelf eerst even uit. Of als je geen pen en papier bij de hand hebt, doe een snelle berekening of gok uit je hoofd.

(300 km) / (120 km/h) = 2,5 h
(300 km) / (130 km/h) = 2,31 h
2,5 h - 2,31 h = 12 minuten

Als je het héle stuk 130 km/h zou rijden, ben je 12 minuten sneller.

Dan het brandstofverbruik. Eerst dit: 1 L brandstof is direct om te rekenen tot ~2,5 kg CO2, dus brandstofverbruik uitdrukken in liter of gram CO2 komt op hetzelfde neer. De belangrijkste bijdrage aan snelheidsafhankelijk verbruik zit ‘m in de luchtweerstand. De luchtweerstand schaalt met het kwadraat van de rijsnelheid — het motorvermogen is het product van de uitgeoefende kracht en de rijsnelheid en schaalt dus met de derde macht van de rijsnelheid. Dat betekent dat als een auto x keer zo hard zou rijden, hij x2 keer zoveel arbeid moet verrichten. Lang verhaal kort:

[(130 km/h) / (120 km/h)]2 = 1,174

Dat betekent dat een auto die 130 km/h rijdt, 17 % méér brandstof verbruikt dan eenzelfde auto die 120 km/h rijdt. Om dit in context te zetten: een auto kan 300 km met 130 km/h rijden, maar op dezelfde tank kan hij ruim 350 km rijden bij 120 km/h (van Groningen tot voorbij Brussel). Samengevat: om 7 % eerder op de plaats van bestemming aan te komen, verbruikt een auto 17 % meer brandstof.

Kortom, welke prutser heeft bedacht dat deze snelheidsverhoging een goed idee is? Mijn advies: afzetten en vervangen door een bèta.

Dank voor het na-rekenen Freddy

De Nieuwe Scheikunde

In 2005 haalde ik mijn vwo-diploma en sindsdien is er nogal wat veranderd in het middelbaar onderwijs. Sinds ik scheikunde studeer geef ik ook voorlichting aan scholieren, maar dat is dit jaar voor het laatst. Dat is goed ook, want nu merk ik pas echt hoeveel dingen er aan het veranderen zijn sinds ik studeer. Wiskunde A–D is geïntroduceerd, de profielen zijn omgegooid en nu bestaat er ook nog zoiets als De Nieuwe Scheikunde.

Ik kan niet anders dan een zuur en sceptisch gezichtje trekken.

Natuurlijk ben ik geïnteresseerd wat nieuwe scheikundestudenten voor achtergrond hebben, maar ik spreek niet zoveel docenten. Zij zullen het beste weten wat het middelbaar curriculum inhoudt, dus mijn vraag aan hen: kunnen jullie het me uitleggen?

Voor de rest: bekijk de volgende video door documentairemaakster Karin Schagen. “Geen strak geregisseerde film met ingestudeerde teksten en situaties, maar een serie spontane opnames en interviews, gemaakt op het Pallas Athene College in Ede (havo-pilotschool) en het Christelijk Lyceum Veenendaal (vwo-pilotschool).” Volgens de makers wordt in de film “goed weergegeven dat Nieuwe Scheikunde voortbouwt op een ontwikkeling die al langer gaande is.” Kan iemand me ook vertellen of jullie die ontwikkeling ook hebben gevoeld? Ik ben benieuwd.

edit: Heb ik dat, schrijf ik over het Nederlandse onderwijs, komt er opeens in alle kranten (Metro, Spits, Volkskrant, NRC, nrc.next) iets te staan over dat we terug gaan naar twee stromen: alfa en beta.