Erger jij je ook aan allerlei ontzettend dom opgezette producten en diensten? Een echte visionair laat het daar niet bij zitten en vindt een veel slimmer alternatief uit. In dit artikel de derde SIT-tool: delen.
Een andere verdeling
Een product kent een bepaalde omgeving waarin het gebruikt wordt. Deze combinatie van product en omgeving heet binnen systematic inventive thinking closed world. Bij veel producten is het een slim idee om deze closed world op een andere manier op te delen dan op dit moment het geval is of zelfs het gehele product op te delen.
Vormen van deling
Er zijn in principe drie manieren om een product te delen. Zo is er fysieke deling (het product wordt in verschillende onderdelen verdeeld), behoudende deling (ieder onderdeel behoudt de functies van het geheel) en natuurlijke deling (de deling verloopt langs functionele grenzen).
Voorbeelden van deling
Een voorbeeld van fysieke deling is een draadloze hoofdtelefoon, die de muziek van de walkman of radiostation weergeeft.
Een voorbeeld van behoudende deling is een zwerm robotjes die als sensoren of samenwerkende groep een bepaalde taak uitvoeren. In de natuur kennen we kolonies insekten, zoals mieren of bijen.
De voornaamste onderdelen van een pc: het toetsenbord, het beeldscherm en het rekengedeelte zijn alle los van elkaar te nemen. Op deze manier kan een pc zeer veelzijdig benut worden. Een displaymodel heeft bijvoorbeeld alleen een rekengedeelte en beeldscherm, een server bestaat alleen uit een rekengedeelte. Terminals, uit de tijd dat computers nog schaars en duur waren, bestaan alleen uit een toetsenbord en beeldscherm, terwijl de centrale computer zelf in een andere ruimte zit.
Een kruimeldief is een kleine stofzuiger die opgedeeld is in het netsnoer (via het laadstation) en de rest van de stofzuiger. Bij veel modellen is ook de stofzuigerzak uitneembaar.
Ngong Ping kabelbaan. Bij een kabelbaan beweegt de 'weg' met het voertuig mee. Erg handig als het terrein niet geschikt is voor een weg. Bron/copyright: RUG
Een auto, opgedeeld
Als voorbeeld een auto. Een personenauto is een apparaat om mensen en vracht te vervoeren. De omgeving waarin een auto opereert, de closed world, ziet er ongeveer zo uit.
– zitruimte
– passagiers
– bestuurder
– bagageruimte
– vracht
– aandrijving: de motor
– energievoorziening: de brandstoftank en (los) benzinepomp
– bescherming tegen regen, koude en wind
– de weg waarop de auto rijdt
Er bestaan inderdaad allerlei vervoersconcepten waarbij de auto in onderdelen wordt gesplitst. Een paar voorbeelden:
– caravan (extra verblijfruimte voor passagiers)
– robotvoertuig (externe besturing)
– vrachtwagencombine met aanhanger (vrachtruimte los van bestuurder en motor)
– elektrische locomotief met wagons (elektrische centrales nemen functie brandstoftank over, splitsing motor+besturing van de passagiers).
– cabrio met afneembaar dak
– kabelbaan, waarbij de weg met de auto meebeweegt
Bron
Mascha van der Voort et al, Productontwerpen, ISBN 90 5931 331 3, Lemma 2004
Op een dag zal Mars niet meer een dorre, levenloze wereld zijn,maar net als de aarde krioelen van leven. Welke uitdagingen staan ons te wachten voor we er in zullen slagen deze verre wereld bewoonbaar te maken voor de mens? Deel twee in de serie.
Erger jij je ook aan allerlei ontzettend dom opgezette producten en diensten? Een echte visionair laat het daar niet bij zitten en vindt een veel slimmer alternatief uit. In dit artikel de tweede SIT-tool: vermenigvuldigen.
Hoe werkt vermenigvuldigen?
In een bepaalde probleemsituatie bevindt zich een aantal objecten. De grap met vermenigvuldigen is een van deze objecten in aantal toe te laten nemen. Het hoeven geen kopieën te zijn, ze kunnen ook sterk in vorm of functie afwijken.
Enkele voorbeelden van vermenigvuldigen
Het samengestelde oog van een fruitvlieg bestaat uit duizenden oogbuizen, elk goed voor één pixel.
De luchtsluis
Een bekend probleem met deuren is dat door de deur te openen, tocht ontstaat. Veel grote winkels en instellingen hebben daarom een dubbele deur: een luchtsluis. Als de buitenste deur opengaat, kunnen mensen naar binnen, maar kan er geen tocht ontstaan omdat de binnenste deur dicht blijft.
Dubbel boekhouden
Bij de in Nederland uitgevonden moderne boekhoudmethode, schrijf je bij elke boeking twee mutaties op. Koop je bijvoorbeeld met kasgeld een nieuwe kantoorstoel van 100 euro, dan wordt er in het kasboek een afboeking van 100 euro gedaan (met als tegenrekening de inventaris) en bij de inventaris een bijboeking van 100 euro. Door dit dubbele boekhouden is het veel makkelijker een overzicht te krijgen wat je als ondernemer precies bezit. Ook voorkomt dit fouten.
Veel banen en inkomstenbronnen
Als werknemer loop je voortdurend het risico door je baas te worden ontslagen. Als je twee of drie banen en andere inkomstenbronnen hebt, verklein je hiermee het risico aanzienlijk.
Dubbele ruiten
Een dubbele ruit isoleert veel beter dan enkelglas. Het stilstaande laagje lucht tussen binnen- en buitenruit werkt als isolator.
Dubbele fietsband
Een fietswiel heeft een buiten- en een binnenband. De buitenband is zeer slijtvast. De binnenband levert de druk, is flexibel en kan bij een lek makkelijk vervangen worden.
Facetoog bij insekten
Insekten hebben ogen die uit grote aantallen zeer primitieve oogbekers bestaan. Deze oogbekers kunnen alleen doorgeven of ze licht waarnemen of niet. Door hun grote aantal geven ze het insekt toch een grofkorrelig beeld. Meer optische informatie kan het kleine insektenbrein trouwens ook niet aan.
Extra rollen bij drukpersen en walsen
Door een extra rol toe te voegen, kan een offsetpers veel regelmatiger worden geïnkt. De eerste rol wordt geïnkt en brengt de inkt over op de tweede rol. Dit systeem wordt, om een andere reden, ook bij sommige metaalwalsen toegepast. Hier verdelen de vele extra rollen de druk.
Er zijn nog veel meer voorbeelden te bedenken. Wat zijn jullie ideeën?
Bron
Mascha van der Voort et al, Productontwerpen, ISBN 90 5931 331 3, Lemma 2004
Erger jij je ook aan allerlei ontzettend dom opgezette producten en diensten? Een echte visionair laat het daar niet bij zitten en vindt een veel slimmer alternatief uit. In dit artikel de eerste SIT-tool: aftrekken.
De kunst van het aftrekken
In het eerste deel zijn de basisprincipes van SIT al aan de orde gekomen. Nu de eerste van de vijf tools die bij SIT worden gebruikt: het aftrekken. Met deze verbluffend simpele techniek kunnen compleet nieuwe producten en diensten worden bedacht.
Less is more
Deze gevleugelde kreet blijkt maar al te waar als je nieuwe producten en diensten bedenkt. Iedereen kent wel de van allerlei functies uitpuilende gadgets waar de gemiddelde consument niet op zit te wachten. Logisch ook, iets toevoegen is heel makkelijk. Zeker wat software betreft. Toch loont het de moeite iets weg te halen. Vaak ontstaan zo verrassende producten en diensten.
Door dingen weg te laten uit een autoruit met wissers, ontstaan een aantal verrassend nieuwe producten.
Voorbeeld: een autoruit met ruitenwissers Stap 1: de Closed World van de autoruit
Iedere auto heeft,verplicht, een voor- en achterruit met ruitenwissers. Als we ons op de voorruit concentreren,komen we op de volgende onderdelen.
– de buitenlucht
– de regen of andere neerslag
– de ruitenwissers
– de ruit zelf
– de binnenlucht
– de carosserie die om de ruit heen zit en de rest van de auto.
Stap 2: wat gebeurt er als we hier onderdelen uit verwijderen?
De buitenlucht verwijderen klinkt onzinnig, maar wat als de buitenlucht verandert in datgene waar regen uit bestaat, water? Aquariumliefhebbers kennen het probleem vast wel van algen die zich aan de wand van het aquarium vasthechten. Daar heb je van die irritante magneetwissers voor die de neiging hebben van de wand af te vallen. Wie weet zijn er fervente hobbyisten geïnteresseerd in automatische ruitenwissers voor aquaria. Een schoonmaakrobotje of iets dergelijks. Productidee: automatische ruitenwissers voor aquaria
Wat als je de regen verwijdert? Ruitenwissers voor een droge ruit klinkt krankzinnig, maar is het niet. Neem bijvoorbeeld een winderige, stoffige omgeving als de Sahara, waar woestijnstof voortdurend op de ruiten neerslaat. Ook voor de bouwers van zonnepanelen in de woestijn is dit een groot probleem. Productidee: stofruitenwissers voor de woestijn.
Wat krijgen we als we de ruitenwissers verwijderen? Dan vloeien de waterdruppels samen en ontstaat er door de neerslag uiteindelijk een waterfilm op de ruit. Opmerkelijk genoeg wordt het zicht zo snel beter (ik heb onvrijwillig de proef op de som genomen toen mijn ruitenwissers onderweg kapot gingen). Productidee: Een speciale hydrofiele coating op de ruit aanbrengen om dit effect kunstmatig op te wekken. Zo heb je geen ruitenwissers meer nodig.
Ook interessant is de ruit zelf weg te halen. Hoe zou het zijn om in een auto te rijden zonder voorruit? Niet erg aangenaam, maar er zijn toepassingen waar een dergelijke auto wel eens heel erg handig voor zou kunnen zijn: een rijdende windtunnel bijvoorbeeld. Productidee: een rijdende windtunnel, waarin de wind wordt opgewekt door te rijden.
En wat als je alleen een ruit hebt, wel met ruitenwissers maar zonder auto? Op dit moment worden we overspoeld met zogeheten tablets. Dat zijn laptops waar ze het toetsenbord van hebben afgehaald (trouwens ook een mooi voorbeeld van de kracht van het principe van het aftrekken). Schoonmaken moet altijd met duur schoonmaakmiddel. Zou er geen markt zijn voor een tabletreiniger, die je als een soort ruitenwisser over het ding kan trekken? OK, niet erg zinnig maar wie weet. Iets zinniger is een muntautomaat waarmee je gevoelige oppervlakten kan reinigen. Productidee: ruitenwisser-gadget voor tablets. Productidee: reinigingsautomaat voor tablets
Dit kan uiteraard ook met diensten. Probeer het eens voor de grap.
Erger jij je ook aan allerlei ontzettend dom opgezette producten en diensten? Een echte visionair laat het daar niet bij zitten en vindt een veel slimmer alternatief uit. Maak kennis met SIT, gemakkelijk te leren,maar verbluffend effectief.
Wat is de filosofie van Systematic Inventive Thinking?
Systematic Inventive Thinking (SIT) is een gemakkelijk te leren, maar toch enorm krachtige methode om producten opnieuw uit te vinden en: nieuwe producten uit te vinden. In dit eerste deel van deze zesdelige serie bespreken we eerst twee algemene principes:closed world en qualitative change, die de hoekstenen vormen voor SIT.
Closed World
Systematic Inventive Thinking (SIT) berust op twee kerngedachten. De eerste kerngedachte is de ‘closed world’. Deze wereld bestaat uit de onderdelen van de situatie zoals die nu is. Stel dat je een kruiwagen wilt verbeteren, dan bestaat de wereld van de kruiwagen uit de volgende onderdelen:
– het wiel
– de bak
– de handvaten
– de ondergrond waarover de kruiwagen rijdt/de route die de kruiwagen volgt
– de gebruiker
– de lading van de kruiwagen.
Met dit lijstje, waaraan je eventueel nog de lucht of ruimte zou kunnen toevoegen (een kruiwagen is vast ook erg handig op de maan, of onder water) heb je de wereld van de kruiwagen min of meer volledig beschreven. Of een kruiwagen nu voort wordt geduwd op een wolkenkrabber in New York of door een Ethiopische zouthandelaar in de Danakildepressie, het ‘wereldje’ van de kruiwagen bestaat alleen uit deze zes dingen. Als uitvinder kijk je dus naar dit systeem.
Ook een dienst kan je zo in stukjes knippen. Neem nu bijvoorbeeld postbezorging. Dit systeem bestaat uit:
– de briefschrijver
– de brief
– de postzegel
– de brievenbus
– de postophaler
– de sorteerder
– het transport
– de brievenbus van de ontvanger
– de ontvanger
Als je de handgrepen van een kruiwagen vervangt door een fiets,krijg je dit. Meer vracht en ook nog een hogere snelheid
Qualitative Change
Een werkelijk innovatieve oplossing is een oplossing waarbij de kwaliteit verbetert, zonder dat er iets essentieels voor moet worden opgeofferd. Letterlijk een qualitative change,dus. Bij een kruiwagen is er bijvoorbeeld een uitruil tussen drie eigenschappen: wendbaarheid, capaciteit en de kracht die je nodig hebt om het ding voort te duwen. Een kruiwagen met een grote capaciteit is een log ding dat nauwelijks voort te duwen is. Een qualitative change is bijvoorbeeld de handvaten te vervangen door een fiets: een bakfiets. Zo krijg je veel meer capaciteit terwijl er evenveel kracht nodig is. Als bonus krijg je ook nog meer snelheid. Wel ten koste van de wendbaarheid trouwens. Is er een uitvinder in de zaal?
Toegepast op een dienst: de postbezorging
Bij de post kan je je brief sneller laten bezorgen,maar dat kost je veel geld. Een telegram was helemaal duur. Toen ik uit India voor een paar gulden een telegram naar mijn ouders stuurde, moest de postbode voor een spoedbestelling langs. Daar waren ze bij de post uiteraard niet blij mee. E-mail is een voorbeeld van een qualitative change. Door de brief te vervangen door een elektronische e-mail, kunnen alle stappen worden geautomatiseeerd. Zender en ontvanger hebben een internetabonnement (of maken gebruik van gratis internet),dus is geen postzegel meer nodig. De rol van de postbode en sorteerder wordt overgenomen door mail servers en e-mail programma’s. Geen wonder dat de klad zit in de brievenpost.
Bron
Mascha van der Voort et al, Productontwerpen, ISBN 90 5931 331 3, Lemma 2004
Hoe zouden meubels van de toekomst er uit zien? In ieder geval waarschijnlijk een stuk handiger dan de saaie, weinig flexibele meubels van nu. Een team ontwerpers ging helemaal los. Laat je verrassen door allerlei onverwachte vondsten in deze video.
Een belangrijke reden waarom mensen steeds nieuwe meubels kopen is dat het van die onhandelbare ondingen zijn, waar je je een breuk aan sleept als je ze verhuist. Waarom? Dat moet toch slimmer kunnen?
Dat dat ook kan, bewijzen de originele vondsten in deze clip.
Voor het eerst zijn computerwetenschappers er in geslaagd opto-elektronische reservoircomputing, een nieuwe vorm van informatieverwerking, in de praktijk te brengen. De eerste resultaten zijn indrukwekkend.
Wat is feedback?
We kennen allemaal positieve en negatieve feedback loops, zij het onder een andere naam. Negatieve feedbackloops houden systemen in evenwicht, terwijl positieve feedback loops juist werken als een versterker. Een voorbeeld van een negatieve feedbackloop is een volstromende badkuip. Als het waterniveau te hoog is, stroomt het water weg. Een positieve feedbackloop is bijvoorbeeld een brand (de hitte veroorzaakt nog meer brand) of de vorming van een ijskap (die zonlicht weerkaatst, waardoor deze afkoelt en zo groeit), waardoor een kleine oorzaak enorme gevolgen krijgt. De natuur is zo ingewikkeld omdat deze bestaat uit talloze feedback loops die allemaal met elkaar in verbinding staan. Deze ingewikkeldheid schrikte onderzoekers tot nu toe af, maar steeds krachtiger hulpmiddelen voor berekeningen, en het inzicht dat er heel interessante dingen te ontdekken zijn, maken dat toch steeds meer wetenschappers de jungle van complexe feedback loops induiken.
Maakt analoge computer een comeback?
Zowel positieve als negatieve feedback kan je gebruiken als rekenelement voor een computer. Dat is precies wat Yvan Paquot van de Vrije Universiteit van Brussel en enkele collega’s hebben gedaan. Zij beschrijven de eerste praktische uitvoering van een exotische nieuwe vorm van computing die het feedbackmechanisme gebruikt om tot dusver ongekend snelle analoge berekeningen te kunnen uitvoeren. Het inzicht achter hun baanbrekende werk: een feedback loop verwerkt informatie. Bijvoorbeeld: brand -> hitte + brandstof -> nog meer brand. Het berekent dus de gevolgen van het combineren van hitte en brandstof, informatie uit het recente verleden. Die informatie is in de feedback loop opgeslagen.
Wat is een analoge computer?
Er bestaan twee soorten computers. Digitale computers, zoals die waarop ik dit stukje zit te tikken (en u te lezen), en analoge computers, al bekend uit de vroege oudheid, die tot in de jaren vijftig en zestig heel populair waren en in feite een soort model vormen van het systeem dat bestudeerd werd.
De voorkant van het raadselachtige Antikythera mechanisme, gevonden in de Egeïsche Zee. De oudste analoge computer, volgens velen.
Zo gebruikten economen in de jaren vijftig een model met waterbuizen als analoge computer om de gevolgen van bijvoorbeeld een hogere rente op de Nederlandse economie te voorspellen en de resultaten waren niet eens zoveel beroerder als nu. Dergelijke effecten kan je ook bereiken met elektrische schakelingen of mechanische modellen.
Een kenmerkende eigenschap van analoge computers is dat ze continu zijn. Dat wil zeggen: ze werken met een glijdende schaal, niet met gehele getallen, zoals een digitale computer. De voorganger van de rekenmachine was de rekenliniaal (er hing nog zo’n levensgroot stokoud ding in ons natuurkundelokaal). In feite een analoge computer. De oude garde weeklaagde geregeld dat sinds de invoering van de rekenmachine, leerlingen hun gevoel voor getallen kwijtraakten. Digitale computers zijn sinds de jaren zestig echter zo snel geworden, dat niemand meer geïnteresseerd is in het moeizame gepruts dat werken met een analoge computer met zich meebrengt. Jammer, want de natuur werkt analoog, niet digitaal.
Reservoir computing makkelijker in gebruik dan neuraal netwerk
Het type computer dat Paquot en zijn collega’s hebben gebouwd is een reservoir computer. Het reservoir bestaat uit een redelijk groot aantal knooppunten, nodes, die op toevalige wijze met elkaar zijn verbonden. Elke node gedraagt zich als een niet-lineaire feedback loop. Dit wil zeggen dat het systeem zich chaotisch kan gedragen. In de proefopzet die gekozen is door Paquot en zijn team, werden willekeurige nodes gekozen voor de invoer en andere, eveneens gekozen willekeurige nodes, om de uitvoer te lezen. Het systeem wordt vervolgens getraind om de gewenste berekening te produceren, door de uitvoer-nodes onderling op een bepaalde manier te wegen. Dit werkt veel simpeler dan bij een neuraal netwerk, dat veel lastiger fijn is te stellen. Reservoir computers bestaan al sinds de eeuwwisseling en zijn gebouwd van onderdelen, uiteenlopend van emmers water tot programmeerbare chips om zo feedback loops te creëren. Netwerken met enkele honderden eenheden bleken al in staat om enkele woorden te herkennen.
Rekenen met licht
Uniek aan deze opstelling is dat de onderdelen uit bestaande opto-elektronica bestaan en met de snelheid van het licht werken. Geen positronisch, maar een optisch brein dus. Sorry, Asimov. Elk knooppunt is een optoelektronische ‘ding’ waarbij de hoogte van de spanning bepaalt hoeveel licht er uit wordt gezonden. Deze output-lichtbundel komt in een glasvezel terecht die het licht terug stuurt naar de fotodiode die de spanning opwekt. Een ‘negatieve’ non-lineaire feedback dus met een vorm van (extreem) kortdurend geheugen.
Vijftig knooppunten maken slechts 0,4% fouten in woordherkenning
De onderzoekers slaagden er in om hun vijftig knooppunten, random met elkaar verbonden, taken als het onderscheiden van sinusgolven en blokgolven, en zelfs eenvoudige woordherkenning, te leren. Het ging hier om de door een vrouw gesproken getallen 1 tot 9, die de computer moest leren te herkennen. Hierin slaagde de schakeling in 99,6 % van de gevallen. Twee fouten in vijfhonderd herkende woorden dus. Nog indrukwekkender is de snelheid: het systeem werkt rond een miljoen keer sneller dan eerdere systemen. Een verdere toename met factor honderd tot duizend, waarvoor kant en klare opto-elektronische onderdelen kunnen worden gebruikt, ligt volgens de groep in het verschiet. Kortom: hiermee wordt het interessant voor real-life toepassingen. Zal deze benadering ooit digitale computers overtreffen? Volgens Paquot en zijn groep is dat nog de vraag, maar dat de kans hierop nu behoorlijk groot is geworden is duidelijk.
Wat als wij mensen vernietigd worden door een ramp, of door eigen toedoen uitsterven? Laten we voor het geval dat, buitenaardse archeologen meer vertellen over onszelf via een tijdcapsule.
De boodschap van Arecibo zal lang nadat wij gestorven en vergeten zijn, nog door de ruimte echoën.
Hebben we de aliens gemist?
De beroemde Drake Formule, die de kans op buitenaardse beschavingen berekent, wordt steeds nauwkeuriger. Zo weten we al vrij precies hoeveel sterren er in de Melkweg zijn, hoe groot het percentage sterren is met planeten en hoeveel van die planeten aardachtig zijn en in de bewoonbare zone van hun ster ronddraaien. Conclusie: er zijn tientallen miljoenen potentieel bewoonbare werelden. De kans is dus vrijwel honderd procent dat er behalve de mens, in de Melkweg ooit andere intelligente levensvormen hebben bestaan of zullen ontstaan. Maar toch. De kosmos is enorm. De kans is dus groot dat onze beschaving zo kort bestaat dat we onszelf al hebben uitgeroeid als een andere soort in ons deel van de Melkweg actief wordt. Ons Melkwegstelsel bestaat al meer dan dertien miljard jaar. Als soort bestaan we, als we Homo erectus als vroege mens zien, misschien twee miljoen jaar. Als moderne beschaving die ruimtevluchten maakt, bestaan we een halve eeuw.
In 1962, tijdens de Cubacrisis, had het een haartje gescheeld of er was een allesvernietigende nucleaire oorlog uitgebroken. Al staan de diverse grootmachten nu op betere voet met elkaar dan ooit eerder in de geschiedenis, de kans is niet denkbeeldig dat een kunstmatige epidemie of een vernietigend nanovirus de mensheid wegvaagt. Hoe verder de techniek vordert, hoe groter onze mogelijkheden zijn om ellende aan te richten. Kortom: de kans is niet erg groot dat twee beschavingen die in staat zijn tot reizen tussen de sterren elkaar tegenkomen.
De boodschap van Arecibo
In 1974 stuurde de radiotelescoop van Arecibo een FM-boodschap de ruimte in richting het sterrenbeeld Hercules, in de richting van een groep sterren die op 25 000 lichtjaar afstand van de aarde staat. De boodschap bestaat uit een matrix van twee priemgetallen: 23 en 73 en bevat primitieve voorstellingen van de mens en DNA. De boodschap bevindt zich in 2011 op 36 lichtjaar afstand. Tegen de tijd dat de radiosignalen de sterren bereiken, bestaat Arecibo niet meer en zal deze eeuw vervaagd zijn in de herinnering – als de mensheid dan nog bestaat. De vraag is of iemand of iets ooit het signaal zal opvangen.
Monument van de mensheid voor de eeuwigheid
Maar wat als we een baken zouden bouwen dat miljoenen jaren nadat er geen mensen meer zijn, nog steeds radiosignalen uitzendt? Dan wordt de kans opeens een stuk groter dat een toekomstige intelligente soort van ons bestaan op de hoogte wordt gebracht. Hopelijk leren ze dan van onze stommiteiten en zal bewustzijn en intelligentie, en emoties die bewuste wezens ondergaan zoals liefde en empathie, als fenomeen niet uitsterven.
Het Sovjet-maanwagentje Lunokhod 2 zal tot de langst overlevende menselijke artefacten behoren.
Uitnodiging tot buitenaardse invasie
Niet iedereen vindt het een goed idee om zo de aandacht op ons te vestigen. De weinige nakomelingen van de Aboriginals, de Maya’s en de Inca’s kunnen haarfijn uitleggen wat de gevolgen zijn een technisch vergevorderde beschaving in aanraking komt met een primitievere groep. Als aliens die technologisch een miljoen jaar op ons voorliggen hier arriveren, zou het wel eens uiterst akelig met ons af kunnen lopen, waarschuwt niemand minder dan Stephen Hawking en met hem veel andere wetenschappers uit diverse disciplines. Geen wonder dat toen de Rus Alexander Zaitsev in 1999 en 2003 krachtige radiosignalen naar naburige sterren stuurde, meerdere van zijn collega’s, waaronder fysicus Michio Kaku dat een wat minder slim plan vonden. Kaku wijst erop dat Cortes met zijn vuurwapens en handjevol mannen in minder dan twee jaar het enorme imperium van de Inca’s onder de voet liep. En hier ging het nog om een klein verschil in techniek. Kortom: radiosignalen uitzenden is ongeveer te vergelijken met een Inca die een kruik met een kaart van Zuid-Amerika en een goudstaafje in de Golfstroom gooit.
De Grote Piramide staat er na duizenden jaren nog steeds, maar na honderd miljoen jaar is er waarschijnlijk niets meer van over.
Interstellaire alarmklok
Tenzij we het baken zo instellen, dat het pas begint uit te zenden op het moment dat wij er niet meer zijn om het uitzenden te stoppen. Het apparaat wordt zo ingesteld dat het stil blijft zolang er boodschappen binnenkomen vanaf de aarde. Als het signaal vanaf de aarde stil is gevallen voor, zeg, vijfhonderd jaar, dan begint het baken uit te zenden. Maar hoe bouw je een baken dat honderd miljoen jaar, zonder storing, achter elkaar doorgaat met zenden? Er is immers niemand meer om het te repareren. Enkele toponderzoekers houden zich nu bezig met deze pittige ontwerpklus. Geen gemakkelijke taak. Het baken moet micrometeorieten, zonnevlammen en andere onheil overleven voor een langere tijd dan er zoogdieren bestaan.
Baken overleeft langer dan de dino’s
Science fiction schrijver Gregory Benford, onder die-hard SF fans(waaronder ondergetekende) bekend door zijn Galactic Center romanserie over een oorlog tussen mensen en een ras van machines, denkt dat het het verstandigste is om een baken in een baan iets binnen de omloopbaan van Venus te brengen. Daar is voldoende energie en tegelijkertijd zal de zonnestraling het baken niet beschadigen. Het baken moet alleen boodschappen verzenden naar sterren waar leven het meest waarschijnlijk is en dit elke paar maanden herhalen. Als een nieuwsgierig buitenaards volk het signaal opvangt, zullen ze hun telescopen in deze richting wenden en de volgende transmissie kunnen ontvangen. Wie weet zullen deze buitenaardsen dan een bezoekje brengen aan de aarde en de weinige menselijke overblijfselen die er na tientallen miljoenen jaren nog zullen zijn, denk aan mijngangen en radioactief afval, waarnemen. De maan is waarschijnlijk interessanter voor ze. De maan is geologisch en klimatologisch zo goed als dood, dus waarschijnlijk zullen de maanvoertuigen van de Apollo missie en de Sovjet-Loenokhod, met de tegen die tijd onvindbare Voyager, de langstoverlevende menselijke overblijfselen zijn…
Zonnepanelen worden mogelijk overbodig. Tot voor kort was het rendement van thermo-elektrische verf en andere materialen afgrijselijk laag en de kosten enorm. Daar komt nu verandering in. Dit revolutionaire materiaal, dat je met een verfkwast kan aanbrengen, zou de energiemarkt wel eens helemaal op zijn kop kunnen zetten. En er zijn meer werkende thermo-elektrische concepten.
Zonnepanelen zijn duur en alleen door een dure vakman te installeren. Hoewel de zon voor particulieren al goedkoper is dan stroom van de elektriciteitsmaatschappij en zonnepanelen snel in prijs dalen. Het zou een uitkomst zijn als zonnepanelen net zo makkelijk aan te brengen zouden zijn als verf. Het goede nieuws: daar is nu zicht op. Nieuw onderzoek bestudeert het gebruiken van thermo-elektrische materialen om zonlicht om te zetten in energie.
Zonneverf uit een blik in plaats van een zonnepaneel. De toekomst?
Wat is thermo-elektriciteit?
Wellicht ken je koelelementjes op elektriciteit, zoals die in bierkoelers, waarmee diverse fabrikanten elkaar op leven en dood beconcurrreren, worden gebruikt. Die berusten op het Peltier-effect: de elektronen in de elektrische stroom ‘voeren’ de warmte, in feite trillingen van elektronen, als het ware met zich mee. Het omgekeerde kan ook. ‘Hete’ elektronen bewegen sneller dan ‘koude’, waardoor de elektronen zich ophopen aan de koude kant en zo een spanningsverschil veroorzaken dat je kan benutten. Eklektriciteit uit warmte dus, al is de efficiëntie laag, tot voor kort rond een procent. Een schijntje vergeleken met de twintig procent die een goed zonnepaneel haalt. Geen wonder dat dit principe tot voor kort vrijwel alleen voor koeling, of omgekeerd, in satellieten met een radioactieve bron, werd gebruikt.
Thermo-elektriciteit: de assepoester van de zonne-energie
In een traditionele zonnecel mept een lichtdeeltje, een foton, een elektron uit zijn energieniveau en laat deze naar een ander materiaal springen. Dit wekt spanning op die wordt afgetapt. Traditionele zonnepanelen lopen tegen een (voor dit type systeem) fundamentele beperking aan. 37,7% omzetting van zonlicht in elektriciteit, de Shockley-Quissler limiet, is het theoretische maximum dat een traditionele zonnecel kan halen. De reden: fotonen met te weinig energie kunnen elektronen niet over de energiekloof laten springen, fotonen met te veel energie kunnen maar gedeeltelijk benut worden, dus wordt meer dan de helft van alle energie weggegooid. Zonde natuurlijk. Sterker nog: deze energie komt vrij als warmte, oververhit het zonnepaneel en werkt zo zelfs tegen.Vandaar trouwens dat de zuidpool (in de zomer) en het hooggebergte zo interessant zijn voor klassieke zonnepanelen.
Thermodynamisch gezien is in theorie veel meer rendement te halen. De zon heeft een oppervlaktetemperatuur van rond de zesduizend graden (Celsius of Kelvin, die 273,15 graden verschil maakt bij zeer hoge temperaturen nauwelijks meer uit). De oppervlakte van de aarde een temperatuur van, zeg, rond de driehonderd kelvin (27 graden Celsius; in werkelijkheid gemiddeld veertien graden, maar 27 C rekent lekker makkelijk en komt redelijk overeen met de temperatuur in zonnige gebieden). Thermodynamisch gezien kan een zonnepaneel dus in theorie een efficiëntie halen van 1-(300 K/6000 K) is rond de 95% hebben, als er een warmtepomp tussen de zon en de aarde zou bestaan. In feite meer: zelfs vrijwel honderd procent, omdat een zwarte straler van 300 K per vierkante meter slechts 1/16 000 van het zonneoppervlak uitstraalt. ([latex]j^{\star} = \sigma T^4[/latex]). Wat dat betreft presteren zonnepanelen dus akelig slecht.
Maria Telkes was een pionier op het gebied van zonne-energie.
Dat moet slimmer kunnen, dacht in 1954 al onderzoekster Maria Telkes. Ze experimenteerde met een plaat thermoelektrisch materiaal, die zonnewarmte omzette in elektriciteit. Het rendement was laag: onder een procent[1]. Zonnepanelen deden het toen niet veel beter, maar al kort daarna schoot het rendement van zonnepanelen omhoog tot tien procent. Telkes’ ontdekking werd niet meer overtroffen en raakte in de vergetelheid. Ook al omdat materialen als bismuthtelluride uit zeer zeldzame en dus erg dure chemische elementen bestaan. Dit veroordeelde de techniek tot een kwijnend bestaan (de ruimtesonde Voyager wordt er bijvoorbeeld mee op gang gehouden. Het warmteverschil tussen een klont radioactief plutonium en het extreem koude heelal levert thermo-elektriciteit).
Thermo-elektriciteit kent geen limiet
Onderzoekers benaderen nu al met een enkelvoudige zonnecel de SQ limiet. De beste zonnepanelen op de markt zitten al jarenlang tegen de vijftien tot twintig procent. Stapelen van zonnecellen kan, maar maakt ze veel duurder. De doorbraken komen vooral neer op stapelen of op goedkopere fabricagetechnieken. Gefrustreerde onderzoekers zijn ten einde raad. Eer komt daarom steeds meer belangstelling voor de lang verwaarloosde thermoelektrische materialen. Immers: deze kennen een dergelijke limiet niet en zijn bovendien veel simpeler in structuur. Of elektronen nou veel of weinig energie hebben maakt niet zoveel uit: ze botsen met elkaar en de energie middelt uit tot een mooie stabiele stroom.
Nanotechnologie verbetert thermo-elektriciteit
Helaas is er nog steeds het zeer lage rendement, die te maken heeft met het snel verdwijnende warmteverschil. Elektrische geleiders geleiden meestal ook goed warmte-quasideeltjes (fononen), waardoor het warmteverschil snel weglekt. Terwijl de elektronen stromen, stromen de fononen van warm naar koud, zonder elektronen in beweging te zetten en zo energie op te leveren.
De onderzoekers Huiming Yin and Dajiang Yang[4] slaagden er in een nanomateriaal te ontwikkelen dat wel elektronen doorlaat, maar de warmtetrillingen blokkeert. Eerder waren er niet dergelijke materialen. Door uitgekiende foutjes in het materiaal worden de fononen weerkaatst, terwijl de elektronen ongestoord kunnen stromen. Dit verdubbelt de efficiëntie van een thermo-elektrisch materiaal. In een watergekoeld zonnepaneel, waarin ook het warme water wordt benut, levert dit meer dan vijftig procent rendement op.
Chen en zijn student tonen de concentrator. Bron: MIT Technology Review
Verf even effectief als zonnepaneel
Charles Stafford van de universiteit van Arizona in Tucson besloot het pas echt radicaal aan te pakken.[2] Waarom niet in één klap afrekenen met zonnepanelen en die vervangen door één laag fononen blokkerende verf? Dit is spotgoedkoop om aan te brengen en die verf kan werkelijk met hectoliters tegelijk kunnen worden geproduceerd, in plaats van moeizaam gepriegel in stofvrije ruimtes. Hij koos een volkomen nieuwe klasse materiaal: polyfenol ether. Dit bulkmateriaal is erg goedkoop. Stafford wil de polyfenol ethermoleculen van zorgvuldig uitgekiende zijgroepen voorzien, die fononen blokkeren terwijl ze elektronen doorlaten. Volgens Stafford’s berekeningen kan zijn materiaal in theorie 20 tot 25% van alle zonlicht in elektriciteit omzetten: zes maal zo hoog als het best bekende thermoelektrische materiaal. Maakt hij deze boude bewering waar, dan worden zonnepanelen een relikwie van het verleden.
Goedkope hitteconcentrator
Een andere onderzoeker, Gang Chen van het MIT, bedacht een zeer simpele maar uiterst effectieve methode om zonnewarmte te concentreren. Licht concentreren is lastig. Daar heb je een duur volgsysteem met lenzen of spiegels voor nodig. Met zonnewarmte is dat anders. Zijn recept: stukjes koper in vacuüm. Het koper wordt in het zonlicht extreem heet. De hitte in het koper, dat honderden graden heet wordt, kan alleen weg via kleine hittebruggetjes die uit thermo-elektrisch materiaal bestaan. Zo kan je de opgevangen hitte concentreren. Chen haalde met zijn opstelling door het extreme temperatuurverschil een rendement van 4,6 procent. Let wel, met een standaard thermo-elektrisch materiaal. Met een nano-engineered materiaal zou het rendement wel eens kunnen verveelvoudigen. Als je dit combineert met een zonnecollector voor warm water haal je hiermee twee keer profijt van een enkele installatie[3]. Kortom: zeer hoopgevende ontwikkelingen. Vooral het briljant simpele idee van Chen, dat uit te voeren is met simpele, alledaagse materialen, laat zien dat peak fantasy een veel groter probleem is dan zogenaamd uitgeput rakende energie- en andere hulpbronnen.
