Wat te doen bij hoge brandstofprijzen? Kwantumfysica!
In het derde leerjaar was ik ervan overtuigd dat ik later naar mijn werk zou gaan in een vliegende auto. Iets meer dan tien jaar later zijn er nog geen snelwegen in ons luchtruim en hoop ik voornamelijk dat er in de toekomst zuinigere wagens zullen zijn. Daarom ontwierp ik voor mijn masterproef een kwantum Otto motor.
Kwantum… Wat?
Oké, die laatste zin was een mond vol. Laten we dus eventjes de tijd nemen om rustig te kauwen. Kwantumfysica ontstond aan het begin van de twintigste eeuw en verklaart het gedrag van de hele kleine dingen, zoals bijvoorbeeld de atomen die alles rondom ons opbouwen. Op kleine schaal gelden andere wetten dan voor de grotere objecten die ons omringen. Dat maakt kwantumfysica soms ingewikkeld, maar biedt ook een enorme waaier aan nieuwe mogelijkheden. Want waar de heersende theorieën soms al eeuwenlang nee schudden, daar zegt de kwantumtheorie volmondig “Ja!”
Gaat het dan over een kleine motor?
Inderdaad! Een enorm kleine motor gebouwd naar het (grotere) voorbeeld van meneer Nicolaus Otto, de Duitse ingenieur die aan het eind van de negentiende eeuw ontwierp wat later de eerste benzinemotor zou worden. Deze motor haalt energie uit de verbranding van benzine, die dan wordt gebruikt om je auto aan te drijven. Hierbij gaat een deel van de opgewekte energie steeds verloren als warmte naar de omgeving. Dat kan je ook voelen: leg je hand maar eens op de motorkap de volgende keer na het boodschappen doen. De kat van de buren legt zich graag op dat warme metaal te slapen, maar degene die de brandstof betaalt, vindt dit vast minder leuk: we verbruiken zo immers altijd meer benzine dan strikt nodig zou zijn zonder dit warmteverlies. Helaas, net zoals toen de koeien stopten met zweven toen Newton de zwaartekracht ontdekte, zo ook ontdekte een andere fysicus het vastgelegde energieverlies van motoren. Maar zoals we al weten: waar de traditionele fysica grenzen stelt, daar springt kwantum fysica er vrolijk over. Kwantum motoren zijn namelijk in staat om het opgelegde energieverlies te verkleinen, zodat ze veel efficiënter kunnen werken dan hun grotere tegenhangers. Dat maakt hen erg interessant om te onderzoeken.
Kwantum schroeven
Als je een kwantum motor onder de microscoop zou leggen, heeft deze niet hetzelfde uiterlijk als een grotere motor, met zijn kenmerkende cilinders en tandwielen allemaal netjes in elkaar geschroefd. Wat ze wel gemeen hebben met hun grote broers is dat het uitzicht van meerdere kwantum motoren kan verschillen, ondanks dat hun werking dezelfde is. De meeste automotoren zijn gebaseerd op dezelfde werkingsprincipes, maar toch gebruiken verschillende merken verschillende materialen en designs. De kwantum Otto motor die ik voor mijn thesis ontwierp, kan worden ontwikkeld in diamant. Dan spreken we niet over de edelstenen die je terugvindt in juwelen, maar over synthetische diamant die in laboratoria wordt gemaakt. Waar bij juwelen de zuiverheid van de diamant erg belangrijk is, geldt dat voor de wetenschap niet per se. In deze synthetische diamant worden namelijk opzettelijk kleine onzuiverheden ingebracht die we NV centra noemen. Deze centra worden gebruikt in allerlei kwantum experimenten. Ik stuurde bijvoorbeeld vorig jaar als onderdeel van studententeam OSCAR-QUBE van de universiteit Hasselt een sensor gebaseerd op NV centra naar het internationaal ruimtestation ISS die vanuit de ruimte het magnetisch veld van de aarde opmeet.
Hoe werkt deze NV kwantum motor?
Een motor draait niet vanzelf en dat geldt ook voor een kwantum motor. Er zijn allerlei onderdelen die je gebruikt om je motor aan te sturen, al is het maar de simpele draai met de autosleutel die de boel in gang zet. Om de kwantum motor te bedienen worden geen sleutels of knopjes gebruikt, maar een afwisseling van groen laserlicht, microgolven (zoals in je microgolfoven) en radiofrequente golven (die inderdaad ook je radio doen spelen). Voor mijn scriptie ontwikkelde ik met deze controle-elementen een procedure om verschillende onderdelen van een NV centrum te besturen en zo energie uit de kwantum motor te halen. Verschillende experimenten bewezen dat de controle elementen naar behoren werken en momenteel staan we dicht bij de praktische uitvoering van de NV Otto motor.
Jaarlijks onderhoud
Als je auto begint te sputteren of er komt rook onder de motorkap vandaan, maak je een afspraak bij de garage voor een grondig nazicht van de verschillende motoronderdelen. Eigenlijk hoeven we zelfs niet op de al dan niet spreekwoordelijke damp te wachten en gaat vanzelf een controlelampje aan bij het minste probleem. Ook kwantum motoren hebben baat bij zo’n kleine controlelampjes. Dat is echter niet eenvoudig, aangezien het moeilijker is om de toestand van kleine deeltjes correct te meten en omdat de kwantum motor ook stuk kan gaan tijdens de meting. Grote motoren kunnen tegen een klein stootje, maar voor kleine motoren wordt dat stootje al snel te groot. Toch is het onmisbaar om goed te kunnen bepalen wat de staat van onze motor is, want als er een klein foutje optreedt kan dat snel groeien. Daardoor kan het energieverlies stijgen, of erger nog, kunnen de motoronderdelen vastlopen zodat we hen niet meer kunnen besturen. Daarom ontwikkelde ik tevens een methode om de toestand van het NV centrum erg precies te bepalen zonder deze te verstoren en de motorwerking te stoppen. Hiermee kan dan regelmatig de motorwerking worden nagegaan, zodat foutjes kunnen worden opgespoord en tijdig kunnen worden opgelost.
De motor van de toekomst?
Net zoals kleine batterijtjes het minder lang volhouden dan grotere, leveren kwantum motoren natuurlijk minder energie dan traditionele motoren. Door bijvoorbeeld erg veel kwantum motoren tegelijk aan te zetten kunnen echter toch grotere hoeveelheden energie worden geleverd. Daarnaast groeit het aantal kleinere applicaties die werken met minder energie sterk. Ook zij hebben behoefte aan een motor op maat. Diamant is eenvoudig te integreren in de huidige technologie en met de verhoogde efficiëntie van de kwantum motor spreken de voordelen voor zich. Ondanks de mooie vooruitzichten hoeft u in de komende jaren dus nog geen auto’s met kwantum motoren te verwachten. Elon Musk kan op zijn beide oren slapen… voor nu.
