Oceaner av olja?

DN presenterade igår en fantastisk nyhet: Havsvatten kan användas som bränsle! Det är den amerikanska militären som har lyckats utvinna koldioxid och vätgas ur havsvatten, för att sedan med lämpliga katalysatorer sätta ihop molekylerna till något som liknar flygplansbränsle. Tanken är att hangarfartyg ska kunna tillverka bränsle till flygplan på plats ute på havet, men riktigt så långt har man tydligen inte kommit än.
Fantastiskt, eller hur? Själv började jag genast fundera på några av de saker man valde att inte skriva så detaljerat om i DN:

1. Var kommer energin ifrån?
Att tillverka bränsle är inte samma sak som att tillverka energi - att tillverka bränsle är möjligt men energi kan varken skapas eller förstöras. Enligt en lite mer utförlig artikel från United States Naval Research Laboratory, som står bakom arbetet, så handlar det om en elektrokemisk process där man med hjälp av elektrisk ström gör havsvattnet kemiskt surt (alltså sänker pH-värdet). När havsvattnet blir surare kan man utvinna koldioxid som varit löst i vattnet, antingen som vanliga CO2-molekyler eller i form av kolsyra (ja, faktiskt). Vätgasen kommer från vattenmolekyler som sönderdelas i vätejoner och hydroxidjoner, och dyker upp som en biprodukt i en annan del av processen där man får en basisk lösning istället för en sur lösning. När man väl har vätgas och koldioxid låter man dem reagera i närvaro av en katalysator för att få kolväten, som sedan kan bli flygplansbränsle.

Hela den här tillverkningsprocessen kräver energi. Var ska den komma ifrån? Lite snabbt googlande visar att USA:s större hangarfartyg är utrustade med kärnreaktorer, så de har väl inga problem med energiförsörjningen. I civila sammanhang skulle man kunna driva processen med solceller, vindkraft eller någon annan förnyelsebar energikälla.

2. Varför just flygplansbränsle?
Som det står ovan så kräver tillverkningen av flygplansbränsle från havsvatten energi. Ett ännu mer korrekt sätt att uttrycka det är att energin man tillför under tillverkningen lagras i flygplansbränslet och frigörs när bränslet förbränns i jetmotorn. Så varför vill man lagra energin som just flygplansbränsle?

Att förstå poängen med detta blir lättare om man vet vad alternativen är. Både kärnreaktorer och solceller är för stora och otympliga för att man ska kunna ha dem ombord på ett flygplan eller en bil. (Man kan naturligtvis installera enstaka solceller, men knappast tillräckligt många för att driva fordonet. Speciellt inte när solen går i moln.) Alltså måste energin som produceras lagras på något sätt så att vi kan ta den med oss ombord. Batterier är en möjlighet, men i dagsläget skulle de ta för stor plats i ett flygplan och det går i regel ganska långsamt att ladda dem. Vätgas är ett populärt alternativ bland förespråkare för bränsleceller, men eftersom det är just en gas så uppkommer vissa tekniska problem. Vid normala temperaturer och tryck tar vätgas väldigt stor plats i förhållande till hur mycket energi den innehåller, och förvaring vid höga tryck eller låga temperaturer är komplicerat och riskfyllt. Både batterier och vätgas skulle dessutom kräva att man bygger om flygplanen eller bilarna ganska ordentligt och utrustar dem med elmotorer.

I jämförelse med alternativen ovan framstår ett flytande bränsle som perfekt: Det har hög energitäthet (tar lite plats i förhållande till hur mycket energi det innehåller) och kan relativt snabbt hällas över från en behållare till en annan så tankningen behöver inte ta så lång tid. Eftersom den tillgängliga tekniken är gjord för olika former av olja behövs dessutom inga nya komponenter i själva fordonen - de bara kör på som vanligt med bränsle från en annan källa.

3. Är detta framtidens bränsle?
Detta verkar ju som en väldigt lovande teknik: Om oljan sinar kan vi göra ny olja av havsvatten och solenergi. Jag är dock en smula skeptisk till att det skulle vara det bästa alternativet i längden. Anledningen är att vanliga motorer som drivs av flytande bränslen i regel väldigt ineffektiva jämfört med elmotorer och bränsleceller, så man skulle kunna få större nytta av energin om man lagrar den i ett batteri än som flytande bränsle. Alltså: Det är otroligt intressant om man kan få den här tekniken att fungera, men jag hoppas fortfarande på bränsleceller och förbättrad batteriteknik.

Produktion av okunskap

Vet ni vad agnotologi är? Jag visste det inte, förrän jag råkade snubbla över den här krönikan i LA Times. Sen jag läst den vet jag att agnotologi är läran om hur okunskap produceras, och att själva termen kommit till på förslag av en professor Robert Proctor från Stanford. Proctor studerar själv medveten produktion av okunskap, till exempel hur tobaksindustrin i USA hanterat forskningsrön om rökningens skadeverkningar. Han hävdar att både tobaksindustrin och andra aktörer aktivt ägnar sig åt att sprida okunskap, till exempel genom att framställa vetenskapliga data som kontroversiella när de inte är det.

Det är både intressant och en aning skrämmande att den här typen av verksamhet är så vanlig att den ger upphov till ett helt forskningsfält. Naturligvis får det en att börja fundera över varför det är så lätt att sprida okunskap, och vad man skulle kunna göra för att hindra att den sprids. Proctor verkar anse att det går att lösa med utbildning och att det är viktigt att skolbarn får lära sig att vissa människor ljuger. Jag misstänker att det inte skulle vara riktigt så enkelt. Läser man diskussioner i olika forum om till exempel risker med vaccin så ser man snart att de som går emot den etablerade vetenskapen är fullt medvetna om att människor kan ljuga - och de är övertygade om att det är vad deras meningsmotståndare gör. Om jag skulle våga komma med ett förslag så skulle det snarare vara att försöka lära ut den vetenskapliga metoden. Alltså inte bara presentera vad vetenskapen kommit fram till som ovedersägliga sanningar, utan försöka ge elever en uppfattning om hur kunskap kommer till och hur man kan värdera fakta. Då skulle de bli bättre rustade både för att tolka och bedöma vetenskapliga rön och för att avslöja de som försöker luras.

APS-mötet

Förra veckan var jag på Colorado Convention Center i Denver och deltog i American Physical Society March Meeting, en jättekonferens som mestadels handlar om kondenserade materiens fysik och materialfysik. Ca 9000 deltagare och oerhört många föredrag. Eftersom det är lite svårt att skriva om allt som hände under veckan har jag gjort en liten lista:

Tyngst: Ett föredrag av John Perdew, om densitetsfunktionalteori och nödvändiga villkor för att konstruera en bra exchange-correlation-funktional (det finns en hyfsad förklaring till vad det är för något i min gamla uppsats).

Mest underhållande: Greg Bryson var inbjuden för att prata en halvtimme på temat "Science and Secrecy", och valde att ägna tiden åt att tala om hur katastrofalt det varit med överdrivet hemlighetsmakeri inom olika amerikanska militära projekt. Min favorit var den där de fick svårt att anställa folk för att de inte fick tala om i förväg vad projektet gick ut på...

Mest nervöst: Mitt eget föredrag, naturligtvis. Men det gick ganska bra till slut.

Mest relevant (för min forskning): Hiram Corley hade undersökt hur värmeledningsförmågan i favoritmaterialet grafén påverkas av att man tänjer det. Värmeledning i grafén sker mestadels genom att atomerna vibrerar. Atomerna kan vibrera i tre olika riktningar, två inom grafénplanet och en vinkelrätt mot planet. Vibrationen vinkelrätt mot planet är speciell eftersom grafén till skillnad från de flesta andra material består av ett enda lager atomer, och den här typen av vibration är väldigt viktig för värmeledningsförmågan. Genom att töja grafénet hade man lyckats minska vibrationerna vinkelrätt mot planet och därmed sänkt värmeledningsförmågan.

Blåast: Colorado Convention Centers maskot (se bild).

Vetenskap på vita duken

Jag har en liten bekännelse att framföra: Jag blir inte så irriterad som jag antagligen borde när fysikens lagar sätts ur spel i en film. Att huvudpersonen i en actionfilm kan hoppa genom glasfönster utan att få skärsår eller att det blixtrar när hen avfyrar sin pistol stör mig inte, även om inget av det skulle hända i verkligheten. Jag reagerar inte heller särskilt starkt på oförklarliga eller orimliga superkrafter, rymdskepp och tidsresor. Det är faktiskt inte förrän någon som ska föreställa forskare börjar prata pseudovetenskaplig goja på vita duken som jag börjar rynka ögonbrynen ordentligt. (Om man dessutom framställer den vetenskapliga metoden på ett felaktigt sätt eller yvigt refererar till "det vetenskapen inte kan mäta" kan jag faktiskt bli riktigt sur.)

Anledningen till min brist på irritation är att jag tycker väldigt mycket om bra historier. Om en bra historia kräver magi, tidsresor eller warp drive så är jag beredd att acceptera det inom ramen för berättelsen. Är berättelsen dålig och oengagerande sjunker tålamodet emellertid raskt.

Det verkar som om det finns minst en person som tänker som jag, nämligen
David Kirby. Kirby lever på att skriva om vetenskap i filmer och är författare till boken "Lab coats in Hollywood". Nu senast har han skrivit i Physics Today om sitt nya system för att betygsätta vetenskap i filmer. Kirby väljer att ta hänsyn inte bara till hur autentisk vetenskapen är (d.v.s. hur sannolikt det är att det hade kunnat hända i verkligheten) utan också till om man använder de vetenskapliga elementen på ett kreativt sätt och skapar en njutbar historia. Det är en approach som tilltalar mig.

Apropå vetenskap i filmer så finns det människor som engagerar sig i detta även här i Sverige. Om du går omkring och funderar över hur geologer porträtteras på film, klicka här:
http://www.gvc.gu.se/personal/personal/Sturkell_Erik/filmgeologer

På en skala - om Nobelpriset i kemi

Man hade kunnat tro att jag skulle skriva något om Higgs-partikeln idag eftersom jag är fysiker, men det tänkte jag inte göra. Anledningen är att elementarpartikelfysik och högenergifysik ligger ganska långt bort från det jag själv gör, och det finns andra som kan skriva bättre om Higgsen (Forskning och Framsteg, till exempel). Istället är det årets kemipris som ligger åtminstone i närheten av en del saker jag gör. Eftersom det dessutom lider av en ganska kraftig överförenkling i pressmeddelandet så tänkte jag skriva en liten text om det här.

Nobelpriset i kemi i år tilldelas Martin Karplus, Michael Levitt och Arieh Warshel "för utvecklandet av flerskalemodeller för komplexa kemiska system". De har lyckats kombinera tre olika sorters datormodeller för att få en bra beskrivning av till exempel reaktioner mellan biomolekyler (proteiner, etc.) utan att för den skull behöva orimligt långa beräkningstider. Detta har man åstadkommit genom att dela in systemet man vill studera i olika delar, som beskrivs med olika metoder.

Vi kan börja längst in, med de atomer som är direkt inblandade i den kemiska reaktionen. För att få en bra bild av vad som händer här behöver man skaffa sig en modell av hur atomernas elektroner beter sig. Det är nämligen fördelningen av elektroner runt atomkärnorna som avgör om atomerna sitter ihop med varandra eller inte, och hur stark bindningen är (vilket jag skrivit om här). För att hålla koll på elektronerna använder man det som kallas första prinicp-beräkningar, där man löser Shrödingers ekvation. Med sådana metoder utgår man från att alla atomkärnor sitter på ett visst sätt och sedan beräknar man hur elektronerna fördelar sig runt dem. Utifrån elektronernas fördelning kan man räkna ut vilka krafter som verkar på atomkärnorna och hur de kommer att flytta på sig på grund av de krafterna. (Eller hur de borde flytta på sig för att få lägsta möjliga energi. Det beror lite på vad man är intresserad av.)

Nästa område innefattar alla atomer som är en del av molekylerna men som inte är direkt involverade i reaktionen. Eftersom biomolekyler ofta är ganska stora så kan det finnas många sådana atomer, så många att om man skulle beskriva alla med första princip-metoder skulle man knappt kunna utföra beräkningen. Istället beskriver man dem med hjälp av så kallade modellpotentialer. En modellpotential är konstruerad för att beskriva hur krafterna mellan atomer i ett material ser ut, till exempel kan en modellpotential innehålla termer som motsvarar kraften mellan två elektriskt laddade partiklar (jonbindning) eller vinkelberoende termer som motsvarar kovalenta bindningar. Oftast tar man hjälp av resultat från första princip-beräkningar och experiment för att avgöra exakt hur potentialen ska se ut. Eftersom man inte måste hålla reda på elektronerna utan bara betraktar atomerna som bollar med en viss massa så kräver sådana här beräkningar mycket mindre datorkraft än första princip-beräkningar.

Det är för övrigt i kopplingen mellan första princip-metoder och modellpotentialer som pressmeddelandet i mitt tycke är överdrivet förenklat. Där står att pristagarna "lyckades få Newtons klassiska fysikaliska lagar att samarbeta med den fundamentalt annorlunda kvantfysiken", men det är inte riktigt så enkelt. Både första princip-beräkningar och modellpotential-beräkningar använder nämligen Newtons klassiska lagar för att beräkna hur atomkärnorna, som står för större delen av massan, rör sig. Skillnaden mellan metoderna ligger i hur man beräknar kraften mellan kärnorna, och där är första princip-metoderna direkt grundade på kvantfysiken medan modellpotentialerna är det indirekt, genom att de konstrueras för att efterlikna resultatet av första princip-beräkningar (eller experiment). Så det handlar inte riktigt om att jämka ihop kvantfysik och klassisk fysik, utan om två sätt att beskriva krafter i ett system - vilket naturligtvis inte gör pristagarnas insats mindre fantastisk.

Slutligen måste vi också beskriva det som finns runt omkring molekylerna man vill studera. Eftersom det är biomolekyler vill man antagligen ofta studera dem i någon form av vattenlösning, men man är inte speciellt intresserad av hur varje enskild vattenmolekyl beter sig. Därför struntar man i molekylerna och beskriver omgivningarna som en slät, homogen massa. Det är ett ännu mindre krävande när det gäller datorkraft än vad molekylärdynamik är, men går såklart inte att använda om man vill veta hur atomerna rör sig.

En annan intressant sak är att principen bakom Nobelpristagarnas insats, d.v.s. att använda olika beräkningsmetoder för olika delar av ett system, numera också används för att räkna på t.ex. hur sprickor bildas i material. Faktum är att det var det första jag tänkte på när jag hörde talas om vad de fått priset för.

Lise Meitner-priset 2013

I går delades årets Lise Meitner-pris ut till Professor Mildred Dresselhaus från MIT. Lise Meitner-priset delas ut av FYSICUM i Göteborg och ska gå till någon som gjort en banbrytande upptäckt inom fysiken. Mildred Dresselhaus kan nog påstås ha gjort flera: Hon har varit aktiv inom fältet kolnanostrukturer ända från början och bidragit bland annat till upptäckten av så kallade fullerener. Hennes forskargrupp var också några av de första att förutsäga hur elektroner beter sig i kolnanorör. Att döma av föreläsningen som denna 83-åriga professor höll i samband med prisutdelningen har hon dessutom långt ifrån slut på idéer.

Att det delas ut ett Lise Meitner-pris just i Göteborg beror på att Meitner bodde i Kungälv då hon gjorde ett av sina mer berömda genombrott. Det var här Meitner förstod att de spår av lättare grundämnen som man fann efter att ha bestrålat uran med neutroner uppkom för att urankärnorna föll sönder. Denna upptäckt ligger bakom både atombomber och kärnkraftverk.

Den tråkiga biten är förstås att Nobelpriset för upptäckten av fission, som Meitner bidragit så starkt till, endast tillföll hennes kollega Otto Hahn och inte delades mellan dem båda. Det har hävdats att det berodde på att Meitner var kvinna, vilket kanske stämmer - att vara kvinna och fysiker har inte alltid varit lätt. (Professor Dresselhaus nämnde till exempel under sin föreläsning hur svårt det var för kvinnliga fysiker att få forskartjänster när hon började.)

Att Meitner inte fick Nobelpris är inte bara orättvist mot henne utan också ett problem för eftervärlden, på så sätt att listan över Nobelpristagare ses som en lista över dem som bidragit mest till vetenskapen. Om viktiga personer saknas på den listan bara på grund av sitt kön blir det lätt att få uppfattningen att inga kvinnor egentligen bidragit till vetenskapens utveckling, och det stämmer helt enkelt inte. Därför är det bra att man delar ut ett pris till minne av Lise Meitners upptäckt - det kan nämligen få oss att komma ihåg den.

Avslutningsvis, några visdomsord från xkcd.com:

Mysteriet med Sherlocks kemikunskaper (och lite annat)

Jag ser att det i vanlig ordning har blivit ett ganska långt uppehåll här på bloggen. Den här gången tänker jag skylla på att jag läst en av de kurser som jag behöver för min examen, och det blev ganska intensivt i andra halvan av maj när tentan närmade sig. När den väl var överstånden var jag naturligtvis tvungen att kasta mig över forskningen, som också den blivit lite lidande av tentaplugget.

En del saker har jag ändå hunnit med parallellt med kursen, till exempel att granska en populärvetenskaplig artikel om min licentiatuppsats. Det var institutionens duktige kommunikatör ville skriva den och publicera på Styrkeområdet Materialvetenskaps sidor, som ett exempel på vad vi gör.

Ett annat styrkeområde (alltså, ett tvärvetenskapligt forskningsfält som Chalmers satsar på) är nanovetenskap och -teknik. Jag råkar vara med där också med mitt lilla grafenprojekt, men styrkeområdet är oerhört mycket större än grafen - det sträcker sig från kvantdatorer via nanopartiklar till biologi och medicin. Jag fick en uppfattning om precis hur brett fältet är i förra veckan när vi hade en minikonferens med massvis med intressanta seminarier. Som vanligt får jag inte riktigt plats med allt i ett inlägg och får hoppas att jag kan återkomma till det senare. Däremot ska jag genast dela med mig av det icke-fysikrelaterade guldkornet: En kemiprofessor från Edinburgh nämnde i inledningen på sitt föredrag att sir Arthur Conan Doyle studerade medicin, och lite kemi, vid University of Edinburgh. Man har kunnat visa att all kemi i Sherlock Holmes-böckerna faktiskt griper tillbaka på en kurs som Doyle gick!