NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/nwo-domein-enw/nobelprijzen/nobelprijzen-en-toepassingen/

Geprint op :
14 december 2018
10:39:39

Bij Nobelprijzen denken mensen al snel aan onbegrijpelijke wetenschap. Maar als je terugkijkt in de geschiedenis van honderd jaar Nobelprijzen, zie je dat heel wat van dat bekroonde onderzoek tot nieuwe technologie en nuttige toepassingen voor de samenleving leidde. Hieronder een aantal voorbeelden. Het jaartal verwijst naar het jaar waarin de Nobelprijs voor de betreffende ontdekking werd toegekend.

1901: Helende straling

Alleen harde dingen houden röntgenstraling tegen, zodat op een röntgenfoto botbreuken, nierstenen en kogels in het lichaam zichtbaar zijn. Al een maand na de eerste röntgenfoto die ooit werd gemaakt – Wilhelm Röntgen beeldde op 22 december 1895 de hand van zijn vrouw af – maakten dokters zulke foto's van hun patiënten. Ook bestraalden ze zieke weefsels met de straling: Emil Gruthe deed dit na twee maanden in Chicago bij een vrouw met een pijnlijke kanker.
Zelfs buiten het ziekenhuis maakten mensen röntgenfoto's van elkaar of baden ze zich in de straling. Apparaten daarvoor bestonden uit een vacuümbuis, een plaatje metaal en een elektrische min- en pluspool. Iedereen zag röntgenstraling als iets met wonderlijke genezende kracht. Pas enkele jaren later werd erkend dat mensen er ook brandwonden en kaalheid van kunnen krijgen. Tegenwoordig zijn er regels voor het gebruik.
Röntgenstraling is een van de belangrijkste hulpmiddelen voor dokters in het ziekenhuis. Ook de industrie en veiligheidsdiensten bij vliegvelden gebruiken röntgenfoto's. 

1908: Mooier dan Rembrandt

Vergeleken met de perfecte kleurenfoto is de beste polaroidfoto een lelijk eendje. Een polaroidfoto bootst net als een schilder kleuren na met kleurstoffen. Die kleuren zijn nooit zo mooi als die van de natuur.
Bij de perfecte kleurenfoto vormt elke kleur apart spiegels in het negatief. Die kleine spiegelvlakken bestaan uit zilverkorrels die door licht zijn veranderd. Hoe roder de kleur, hoe dichter de spiegelvlakken bij elkaar liggen. Alle natuurlijke kleuren van het gefotografeerde zie je terug wanneer wit licht op het negatief valt.
De spiegelvlakken ontstaan door staande golven in het negatief. Het weerkaatste licht vormt net als kruisende watergolven bijzondere golfpatronen. De vlakken met veel en weinig licht liggen precies een halve golflengte van elkaar af.
Gabriel Lippmann ontwikkelde het principe van de kleurenfoto in 1896, het jaar dat vader en zoon Lumière de eerste zwart-wit film vertoonden. 'Film heeft geen toekomst', beweerden ze stellig. Dat bleek niet waar voor de film, maar wel voor de perfecte kleurenfoto: dit komt doordat je het negatief heel lang moet belichten en de perfecte kleurenfoto niet te kopieëren is.


1909: Marathonlopers snel als licht

Soms is een boodschap belangrijk voor iemand op een andere plek. Daarom waren bodes ooit helden: de marathon – 42,125 kilometer hardlopen – is vernoemd naar de bode die in de Griekse strijd om Marathon naar Athene holde om de afloop van een veldslag te melden. Tegenwoordig gaat een boodschap zo snel als licht de wereld over.
De Schot James Maxwell voorspelde in 1873 dat elektrisch radiogolven kunnen worden opgewekt. Een regelmatig overspringende elektrische vonk tussen twee metalen platen bleek deze golven inderdaad te veroorzaken.
De Italiaanse geleerde Guglielmo Marconi (zie foto) liet zulke stralen als eerste de Atlantische Oceaan oversteken, in minder dan een seconde. Bij deze telegrafie gebruikte de zender een elektrische vonk en een antenne voor het afstemmen van de frequentie. De ontvanger had een buis met ijzervijlsel. De Duitser Ferdinand Braun verving de vonk door een inductieklos en bedacht hoe hij radiosignalen in elektrische stromen kon omzetten.
De draadloze telegrafie ontwikkelde zich tot draadloze telefonie (1914) en na de Eerste Wereldoorlog tot de radio. Ook mobieltjes gebruiken radiosignalen.


1913: Eeuwige stroom

Er bestaan stromen die eeuwig blijven lopen zonder in sterkte te verminderen. Heike Kamerlingh Onnes zag ze in 1913 voor het eerst in ijskoude metalen.
Metaal zo koud krijgen, lukt alleen met vloeibaar helium. Dit gebeurt in ziekenhuizen, laboratoria en bij de Japanse spoorwegen. Lopen eeuwige stromen door een klos metaaldraad, dan ontstaan magneten die duizenden keren sterker zijn dan het magneetveld van de aarde. Die magneten zijn nodig om in het lichaam te kijken. De Japanners laten met die magneten treinen boven de rails zweven: zweeftreinen die 517 kilometer per uur kunnen rijden.
Twintig jaar geleden ontdekten geleerden eeuwige stromen ook in een keramiek (Nobelprijs 1987, zie foto). Daarbij is koeling met vloeibaar stikstof, dat even goedkoop is als spawater, voldoende. De keramische draden zijn nog wel zwakker en duurder dan koperdraad. Met sterk en goedkoop draad kunnen alle elektrische apparaten veel compacter, krachtiger en zuiniger worden.
Elektriciteitsmasten kunnen ooit misschien worden vervangen door zulke kabels onder de grond. In Amerika is de eerste kabel met eeuwige stroom al gelegd.


1914: Het gelijk van de Griekse denkers

De Griekse natuurfilosofen beweerden drieduizend jaar geleden al dat alles is opgebouwd uit atomen, maar bewijzen konden ze dat niet. Max von Laue zag op röntgenfoto's honderd jaar geleden voor het eerst dat elk kristal (zoals bijvoorbeeld een keukenzoutkorrel) inderdaad uit atomen bestaat die laag na laag na laag op elkaar liggen.
Röntgenstraling is hard licht met een golflengte die bijna zo klein is als de afstand van de atomen in het kristal. Dit licht buigt daarom rond de atomen, net zoals watergolven bij een obstakel doen dat even groot is als hun golflengte. Op een röntgenfoto geeft elk atoom een zwarte stip.
In 1921 hadden geologen zo al in kaart gebracht hoe ertsen, kristallen en mineralen er van binnen uitzien en hoe ze ontstaan. In 1953 ontdekten biologen zo hoe planten, dieren en mensen hun erfelijke eigenschappen bewaren. Dit gebeurt op chromosomen die bestaan uit DNA. Dit molecuul ziet eruit als een wenteltrap.
Tegenwoordig beheert het Human Genome Project een complete lijst van waar op het molecuul genen zitten, hoe lang ze zijn en welke code ze hebben.

1921: Levenskracht

De aarde is de enige bekende planeet met leven. Dat op aarde leven bestaat, komt doordat er voedsel is. Dat voedsel dankt zijn bestaan aan de zon.
De Egyptenaren vereerden de zon al: de eerste wereldleider, de Egyptische farao, werd de zoon van de zon genoemd. Piramides zijn de treden die de farao moest nemen om na zijn dood de zon te bereiken.
Groene planten maken uit zonlicht de suikers en koolhydraten waarmee al het leven zich voedt. Maar dat gebeurt in de cel en dat is een soort chemische fabriek die werkt op stroom. Stroom geeft de zon niet af.
Albert Einstein ontdekte in de jaren twintig van de 20ste eeuw hoe licht kan zorgen voor stroom. Licht bestaat uit deeltjes die elektronen weg kunnen slaan. De kracht van die deeltjes blijkt af te hangen van de golflengte van de straling.
Sindsdien proberen mensen met zonnecellen groene planten te imiteren. Einsteins ontdekking leidde ook tot elektrische ogen in alarminstallaties, automatische deurenopeners en bekeuringscamera's. Een lichtstraal slaat in een buis steeds elektronen los. Kruist iemand die straal, dan stopt de stroom en gaat er een alarm af, klikt een camera of wordt de deur geopend.

        

1938: Piepkleine reuzencentrales

Atomen lijken onveranderlijk. Processen als verbranden of roesten worden bijna uitsluitend veroorzaakt door elektronen, die als een zwerm bijen rond de atoomkern zweven. Aan de piepkleine kern verandert niets en die kern bepaalt de naam, hoe zwaar het atoom is en hoeveel elektronen er omheen bewegen.
In 1934 lukte het Enrico Fermi echter een atoomkern te splijten. Hele langzame kerndeeltjes zonder lading – de neutronen – werden door de wolk elektronen rond de kern geschoten. Kernsplijting blijkt een gigantische energiebron. Eén reactie levert tien miljoen keer zoveel energie op als de verbranding van een oliedeeltje.
Helaas deed Fermi zijn ontdekking toen fanatiek nationalisme de wereld in een neerwaartse spiraal bracht en de Tweede Wereldoorlog ontketende. De Verenigde Staten gebruikten zijn ontdekking dan ook voor het bouwen van de atoombom. Kernsplijting wordt ook gebruikt in kerncentrales (op de foto de centrale van Dodewaard). Bij de vele honderden centrales ging het enkele keren mis, namelijk in Amerika bij Three Mile Island, in Rusland bij Tsjernobyl en in het Japanse Fukushima. Mensen zijn hier zo van geschrokken dat veel landen geen centrales meer bouwen.


1956: Bliksems door een dubbeltje

Lange tijd kende iedereen elektriciteit alleen in de vorm van bliksem. Elektrisch schakelen en versterken ging naar het voorbeeld van de bliksem vroeger dan ook met overslaande vonken in vacuümbuizen.
Vlak na de Tweede Wereldoorlog bereikten Shockley, Bardeen en Brattain hetzelfde in een laagje silicium. Ze maakten een schakelaar die met een elektrische stroom is om te zetten (de transistor), een versterker en een gelijkrichter. Zonder hun ontdekking waren veel elektrische apparaten zoals handzame televisies en radio's, mobiele telefoons en computers niet mogelijk geweest.
Tussen de siliciumatomen brachten ze enkele andere atomen aan – ongeveer een op de honderdduizend. Zet je een minpool tegen het laagje, dan verlaten elektronen de laag en isoleert die. Zet je er een pluspool op, dan is het contact geleidend. Zo heb je een gelijkrichter. Zet je een spanning op een derde pool, dan kun je van de isolator een geleider maken. Zo heb je een transistor.
Na de ontdekking werden de stranden al snel overspoeld met draagbare radio's. 'Als we wisten dat de uitvinding tot zulke herrie zou leiden,' zeiden de Nobelprijswinnaars later, 'dan hadden we hem nooit gedaan.'


1964: Karatelicht

Zonlicht is een mengelmoesje van kleuren en heeft niet de optimale kracht die licht kan hebben. Met echt intens licht – laserlicht – boren juweliers gaatjes in diamant, luisteren mensen naar cds, praten geleerden met satellieten en branden chirurgen ziek weefsel weg. Militairen denken zelfs dat je met dergelijk licht je land tegen raketten kunt beschermen en geleerden zetten er atomen mee stil.
Einstein voorspelde al in de jaren twintig dat atomen de bron zijn van zulk licht. Het lukte Townes, Basov en Prokhorov pas in de jaren vijftig intense radiostralen (maser) en intens zichtbaar licht te maken.
Om dat voor elkaar te krijgen, dwing je eerst elektronen iets verder van de atoomkern af. Dan heb je iets dat vergelijkbaar is met een uitgetrokken elastiekje. Springt het 'elastiekje' terug naar zijn oorspronkelijke vorm, dan krijg je licht met een bepaalde kleur. Al die atomen bewegen tussen twee spiegels die net zover van elkaar afstaan dat er precies een geheel aantal lichtgolven van die kleur tussen past. Al het licht verzamelt zich dan in één bundel die als één golf trilt. Die bundel is in een puntje honderdduizend keer sterker dan een gloeilamp. 

1967: Zon op aarde

Als geleerden een stukje zon op aarde na kunnenmaken, lossen ze het energieprobleem op. Grondstof voor energie is er dan genoeg en van vervuiling is geen sprake. Voor zo'n stukje zon moeten ze een heel heet plekje maken.
Bij die hitte laten elektronen de atoomkern los. Vrije kernen smelten samen en geven daarbij energie af. Dat dit in de zon en andere sterren gebeurt, blijkt uit alle atomen die rond ons worden aangetroffen. Alle atomen zijn ontstaan door zulke samensmeltingen.
De geleerde Hans Bethe begreep als eerste hoe dit smeltproces gebeurt. Het midden van de zon bestaat uit een gas van waterstofkernen dat twintig miljoen graden Celsius heet is en per liter tachtig keer zoveel deeltjes bevat als een liter water. De waterstofkernen (protonen) kunnen daarom hun onderlinge afstoting overwinnen en tot heliumkernen versmelten.
Geleerden proberen nu op hele hete plekken in aardse laboratoria elektronen van kernen af te trekken en kernen samen te pakken. In West-Europa werken alle landen samen om een stukje zon na te maken met het internationale project ITER.

1971: Foto's als kijkdozen

Televisie of bioscoop is leuk, maar alleen in het theater staan acteurs levensecht voor je. Bij televisie of bioscoop kijk je immers naar een plat scherm, terwijl de wereld ook diepte heeft. Toch bestaan er foto's waarbij het net is alsof je een kijkdoos in tuurt – hologrammen. Beweeg je je hoofd, dan kun je zelfs om dingen heenkijken.
De geleerde Dennis Gabor bedacht in 1947 hoe hologrammen te maken zijn. Pas met de uitvinding van de laser vijftien jaar later lukte dat ook. Een deel van de laserstraal komt direct op de fotografische plaat, het tweede deel weerkaatst eerst op het gefotografeerde. Die bundels maken samen een patroon van lichte en donkere plekken op de plaat. Dat patroon geeft een beeld met diepte als er licht op valt. In 1984 drukte het tijdschrift National Geografic voor het eerst op de voorpagina een hologram af van een aardbol die uiteenspat.
Momenteel bestaan er hologrammen van het menselijk lichaam, de Titanic of bijzondere fossielen. Zelfs hebben moderne kunstenaars een nieuwe stroming opgericht, die geen genoegen meer neemt met nagebootst perspectief. Ook zijn de watermerken op telefoonkaarten of de streepjescodes op supermarktartikelen hologrammen. 


1978: Het begin

Geleerden hebben aangetoond dat het heelal ontstond met een gigantische knal die drie minuten duurde.
Iedereen kan het nagalmen van de oerknal nog horen. Zet je radio tussen twee zenders en luister naar de ruis. De jonge onderzoekers Penzias en Wilson ontdekten als eersten in 1960 dat een deel van die ruis tot op eenduizendste procent hetzelfde is, waar je de antenne ook naar toe richt. Stoorzenders, maar ook sterren of planeten kunnen die ruis daarom nooit opwekken. Het komt van het heelal als één geheel.
De achtergrondstraling ontstond toen voor het eerst het licht in het heelal werd aangezet. Sindsdien is er meer dan tien miljard jaar verstreken. Hierin is het heelal enorm uitgebreid en van meer dan duizend graden tot ongeveer drie graden boven het absolute nulpunt afgekoeld. De straling die Penzias en Wilson maten is precies het licht dat een voorwerp dat zo koud is afgeeft. Het heeft een golflengte van ongeveer een millimeter.


1986: Voelen met nanovingers

In het piepkleine barst het van het leven. Plagen, epidemieën en gewone wijzen op een krioelende wereld die zich aan het oog onttrekt. Pas in de jaren dertig van de 20sye eeuw konden geleerden dit ook zien.
De beste lichtmicroscopen zien details tot op een honderdduizendste van een millimeter nauwkeurig. De Duitse geleerde Ernst Ruska maakte een microscoop die tot op tien atomen nauwkeurig kan kijken, vijfduizend keer zo klein als met de lichtmicroscoop. Hij verving daarvoor licht door elektronen en lenzen door magnetische spoelen. Bijna alle insecten, virussen en bacteriën zijn ondertussen met hun markante koppen en klauwen gefotografeerd (zie foto).
Niet alleen kunnen geleerden het piepkleine zien, ze kunnen het piepkleine ook betasten. Gert Binnig en Heinrich Rohrer ontdekten hoe ze een draadje met een uiteinde van één atoom met een elektrische spanning steeds op dezelfde afstand van atomen kunnen houden. Hun scanning tunneling microscoop leest de braille van een oppervlak tot op het atoom nauwkeurig.
De twee microscopen zijn voor biologen en scheikundigen een bril waarmee ze extreem keine verschijnselen kunnen zien of bevoelen.

1989: Exact op tijd

Een goede klok is goud waard. Vierhonderd jaar geleden brachten Engelse schippers hun ontdekkingsreizen vaker tot een goed einde dan de Nederlanders, doordat ze pendula gebruikten. Daarmee wisten ze nauwkeuriger hun plaats op zee dan wanneer ze afgingen op de zon.
Tegewnoordig maken superklokken ontdekkingreizen in de ruimte mogelijk. Ook hebben Amerikanen een nauwkeurig plaatsbepalingsysteem gemaakt dat is gebaseerd op de superklok. Het GPS-systeem wordt door bijna alle bouwers, vervoerders en olieboorders gebruikt. De Amerikaanse satellieten laten via radiosignalen iedereen op aarde tot op drie meter nauwkeurig bepalen waar hij staat. Loopt een klok op een satelliet maar een miljardste seconde verkeerd met die van een ontvanger op aarde, dan zit de plaatsbepaling er meteen drie meter naast.
De superklok die Norman Ramsey voor dit doeleinde maakte, is zo exact dat hij tussen de oerknal en nu maar één seconde verkeerd zou zijn gaan lopen. Deze klok gebruikt atomen. De elektronen rond de kernen zijn magneten die met radiogolven van richting kunnen worden veranderd. Staat een radiozender precies goed afgestemd, dan komen er atomen in een deeltjesdetector. De seconde is de tijd waarin 9.192.631.770 trillingen van de radiotrillingen passen waarbij de detector atomen meet.
Intussen hebben natuurkundigen een methode ontdekt om klokken nog eens duizend keer nauwkeuriger te maken.

2000: Iedereen koning

Computerchips hebben vandaag de dag allerlei klusjes overgenomen, zoals het boodschappen doen via internet, de gezondheid in de gaten houden en de verwarming en ventilatie in huis afstellen. Programmeurs maken computers steeds slimmer. Zo begint het begrijpen van taal en spraak binnen het vermogen van de computer te komen; ook kunnen computers al leren van hun fouten en samenwerken.
De computer is de vondst van wis- en natuurkundigen. Intelligentie wordt opgewekt met schakelaars die aan- en uitklappen. Programma's bestaan uit een rij instructies van schakelaaromzettingen.
Jack Kilby wist in 1958 voor het eerst uit één stuk silicium een elektrische schakeling te maken. Dat was de uitvinding van de chip. De vondst van de chip maakte elektronica een miljoen keer zo goedkoop. Herbert Kroemer en Zhores Alferov ontdekten in 1957 hoe ze elektronica veel sneller konden maken.
Tegenwoordig passen er al miljarden schakelaars op een chip en schakelen deze honderd miljard stroompjes per seconde.