Knutselen voor Nobel
“Zijn geheim was de manier van leren die mijn kindergeest raakte. Niet door me te laten blokken, maar te leren begrijpen. Je kunt natuurkunde leren door heel eenvoudige vragen te stellen en die dan te testen, a body of thinking based on experiment”. Nobelprijswinnaar Steven Chu raakt begeesterd als hij over zijn onderwijzer Thomas Miner vertelt. De Nobelprijswinnaar voor natuurkunde sprak met ScienceGuide over zijn Werdegang, de fascinatie voor bèta en zijn knutselliefde en zijn grote inzet voor energie en klimaat met het rapport Lighting the Way.
“De fysica is een fascinerend veld, ik kan het ook niet helpen na al die jaren. Het hele wetenschappelijke model erachter, de denkwijze van Newton en de zijnen, blijkt ook nu nog relevant, ná Einstein als het ware. De theorie is wel verder verrijkt en verbeterd, gelukkig wel, maar zij blijft in essentie overeind en bewezen. Dat mag je na 500 jaar experimenteren wel een succes noemen, vind je niet?
Hoe dat komt? ‘Hard scientists – like physicists – pose simple questions’. De complexe vragen naar het waarom der dingen komen van de menswetenschappen, die zijn daar heel begaafd in. Maar wij gebruiken die simpele vragen om heel diep te gaan in het écht leren begrijpen daarvan. Dat is mij als jongen op school al gaan fascineren. Dat vind ik toch veel interessanter dan explanations after the fact, die meestal de ronde doen in andere disciplines.
Tegelijk is het dat wat soms ook wel afschrikt, vermoed ik. Het is zo simpel en wiskundig berekenbaar wat je als antwoord denkt te vinden. Dan is het een stuk moeilijker om jezelf voor de gek te houden met het idee ‘ik denk dat ik het ongeveer door heb’. “It enforces an intellectual honesty that is very rare. You see in front of you what it is you have uncovered, very directly”.
Leer je zo denken, dan snap je ook veel beter wat een theorie is. Het is een verklaringspoging die je onderbouwt. Bewijzen kun je alleen of en wat er niet aan klopt. Meer niet. Dat roept bij velen dan ook grote misverstanden op. De hele discussie in ons land, de USA, over het darwinisme laat dat zien. Zulke voorstellen die daarin gedaan worden als ‘je zou dit niet op school moeten onderwijzen, want het is tenslotte maar een theorie’, gaan gebukt onder zo’n misvatting. Daarop loopt dit vaak helemaal vast, op dat misverstand.
Zakgeld voor raketten
Je leert zulk precies, kwantitatief gebaseerd denken het beste als je jong bent. Dan begrijp je het snelst hoe en wat. Daarna kun je op allerlei terreinen des levens – ook buiten de wetenschap, hoor! – veel scherper redeneren en analyseren. Je hebt er je hele leven baat bij.
Ik was een wat middelmatige scholier, maar onderwijzers als Thomas Miner – en docenten als die voor geschiedenis en rekenen ook – wisten mijn fascinatie te wekken. En ik was altijd aan het knutselen. Meccano, hele bewegende constructies, dat soort dingen. Modelvliegtuigjes, oh ja!
Mijn lunch money voor school ging op aan scheikundedozen, om nog meer te kunnen knutselen. Dat verhaal is waar, ja. We bouwden er onze eigen raketten mee en die lanceerden we dan zelf…. “Small kids being Werner von Braun, oh sure.” Het gaat ook niet over, ik ben nog steeds stapel op gadgets. De knopjes proberen, hoe werkt dit….
De laatste gadget die ik uitprobeerde? Nou, ik heb wel al 10 seconden zitten frummelen aan een I-phone. Nee, ik heb er nog niet een. Ik moet toegeven, it looks great. Maar de laatste gadget was hier in het hotel in Veldhoven. Ik heb op mijn kamer de allernieuwste tv van Philips en daar kon ik gisteravond niet van afblijven. Je kunt zelf het format bepalen, de screenvulling vaststellen. Dan ga ik voor de bijl. Welk knopje doet wat, how smart is it?
Denken in doodles
Dat spelen, knutselen, met je handen vormen is ook een geweldige manier om je geometrische vaardigheid en inzicht te ontwikkelen. Het verbaast me niks dat ook theoretische natuurkundigen en dergelijke wetenschappers als kind daar vaak gek op zijn. Elke baby trouwens. They all tinker, they grab your glasses, throw with their food at Mum, try out space with their fingers. Die meccanosets, dingen waar schroefjes aan zitten, ze helpen je fijne coördinatie en de geometrie letterlijk in de vingers te krijgen. Borduren, handwerken doen precies hetzelfde, dat is net zo goed.
Zelf dingen maken helpt je driedimensionaal te denken. Wat je in de materiële ruimte doet leer je in je hoofd virtueel bekijken. Dat werkt bij mij zo en ik merk dat het voor heel veel van mijn studenten en medewerkers ook zo gaat. Een theoretisch vraagstuk ontvouwt zich niet in een cijferreeks of in teksten in je hoofd. You get a mental picture, it is a very visual thing. Wat computerdesign doet is eigenlijk dat wat ik in mijn eigen hoofd doe: visualiseren, ‘manipuleren’ en van alle mogelijke kanten dat mental picture bezien en doorgronden. Rekensommen, equations, problemen zijn meestal een geometrisch plaatje in mijn gedachten. Als ik er met mijn studenten over praat, over hun vraagstukken of alternatieven, dan pakken we al snel een stuk papier erbij. En dan gaan we niet sommen opschrijven, of vergelijkingen noteren, maar maken we allereerst doodles. Je tekent ruw die ‘plaatjes’ terwijl je praat.
We zien in onze laboratoria de graduates veranderen. Ze zijn niet zo goed meer in het zelf maken van dingen als 20 of 30 jaar geleden. Kinderen vandaag spelen games, hebben prefab-lego in plaats van dat ze zelf dingen in elkaar zetten. Their thumbs are very quick, but not their fingers and hands as a whole!
Ik ben er heel erg voor dat handarbeid en handwerken op school weer alledaags wordt, verplicht desnoods. Echt, daar ben ik heel erg voor! Kijk maar naar boerenkinderen. Die moeten veel meer nog zelf doen, dingen in elkaar zetten of daarbij helpen. Dat is nog altijd erg vormend. Veel wetenschappers blijken ook nu nog farmkids.
Bell en Berkeley
Als researcher was mijn tijd in het laboratorium van Bell [de ‘moeder’ van telefoonmaatschappij AT&T] de beste, vind ik. Daar waren de historische wortels met fundamenteel én innovatief onderzoek tot Alexander Graham Bell zelf nog levend. Omdat ze ook een soort monopolie daarop hadden, kon Bell Lab een eeuw lang leidend zijn, het was ook een echte trainingsground voor talent.
Het kardinale verschil met een universitair centrum is simpel uit te leggen. In een universiteit zijn de beste hoogleraren meestal onderzoeker. Bij Bell zaten ze in de managementtop waar zij écht zelf konden sturen en beslissen. Een college van bestuur kan dat toch meestal niet, als het erop aankomt.
Als onderzoeker was Bell Lab heel apart om te werken. Je gaf geen of nauwelijks les, dus zo’n 80% van je tijd was puur onderzoekswerk. En je kon niet aan imperium bouwen doen, zoals in universiteiten vaak het geval is. Je kon alleen met anderen samen vooruit komen, als je coalities sloot, als je andere onderzoekers ervan kon overtuigen, dat je een project of een idee samen het beste kon waarmaken.
Het is waar, ik ben nu in Berkeley toch een beetje aan het proberen dat Bell Lab als idee weer vorm te geven. Ook in een universiteit wil ik dat toch mogelijk zien te maken, mensen bijeen brengen rond goede onderwerpen. Ik kon met het Lawrence Berkeley National Laboratory wetenschappers van allerlei snit enthousiasmeren echt aan het klimaatvraagstuk te gaan werken. Als individuele hoogleraar zou ik dat nooit kunnen. Ik wilde het thema agenderen en mensen opporren. En ik wilde dat veel samenhangender gaan organiseren, in a cohesive way, met teams van allerlei disciplines bij elkaar.
Voor het klimaatprobleem is energie het kernpunt. Hoe lossen we dat op? Daarbij speelt bovendien de energysecurity als groot punt. Hoe verhinder je de situatie dat een kleine groep landen die veiligheid feitelijk beheerst? Mijn kijk op hoe we dat zouden kunnen doen is wel veranderd. Ook die op de rol en de bijdragen van R&D van van mijzelf is de voorbije vijf jaar sterk veranderd.
Ik dacht: ‘Wij kunnen best schone energiebronnen en productieprocessen gaan maken. Dan lossen we het klimaatprobleem echt op.’ Maar ook als ons dat lukt, heb je een ‘tech fix’ en die kan de oplossing nog niet bieden, helemaal nog niet. Je moet ook de cultuur aanpakken, de manier van organiseren en denken er omheen.
Een schone oplossing bedreigt bijvoorbeeld de economische structuren en posities van bestaande industrieën en dienstverleners, zoals nutsbedrijven en andere organisaties die erg belangrijk zijn voor de economie en maatschappij. De associatie van huizenbouwers bij in de USA wil bijvoorbeeld niets weten van een ‘guideline’ in de bouwvoorschriften voor extra isolatiemogelijkheden ten bate van energiebesparing. Voor 0,1 % van de bouwkosten kan zo’n 40 tot 50 % reductie van gebruik en kosten per woning bereikt worden. Het verdient zich in een jaar of vijf, zes terug voor de bewoners en eigenaars. Maar die bouwassociatie verzet zich met hand en tand hiertegen. Zij zien de bui al hangen. Zo’n guideline gaat leiden tot alle mogelijke andere verplichtingen vanwege het klimaat en energiekosten. Je zult dus veel meer moeten doen om de cultuur te veranderen en to educate the public.
Is het klimaatprobleem wel echt?
Het is terecht, dat critici erop wijzen, dat het klimaat van de aarde altijd cycli van warmte en koude heeft gehad. Maar wat nu relevant is, is het feit dat we de laatste 150 jaar afwijken van dat patroon van de lange termijn. Dat is duidelijk meetbaar en lijkt door de activiteiten van mensen beïnvloed.
Dan vragen ze vaak: ‘Hoe hard is dat nu bewezen?’ ‘Bewezen’, tja, dat is wetenschappelijk gezien een lastig begrip. Maar als ik zeg ‘we weten dit zeker, tussen 90 en meer dan 95%’, dan zeg ik ook dat onze kennis en inzicht niet volstrekt volmaakt is. Dat niet, maar ja, wanneer zijn ze dat wel? Voor de beleidsmatige discussie is het niet erg vruchtbaar de spotlight te houden op die marge tussen 95, 99 of 100%, zou ik zeggen.
Ik begrijp wel dat sommige data lastig over te brengen zijn. Het wereldgemiddelde van de temperatuurstijging bijvoorbeeld. Het is voor velen een zó vaag begrip dat het 0,8 graad is gestegen. Tegelijk heeft dat nu al op allerlei plaatsen ter wereld een enorme impact, gevolgen die je direct kunt zien. De omslag in het klimaat die dat laat zien, is in de laatste 100 jaar drastischer dan in vele duizenden jaren voordien. Diersoorten en planten kunnen zich bijvoorbeeld zo snel niet aanpassen als het nu gaat. Parasieten blijven in leven in de bossen in Canada doordat de winters zachter zijn geworden. De bomen raken ze niet meer kwijt en dat leidt tot massale sterfte in die streken. Zo snel kunnen die wouden niet omschakelen. Dat heeft op het klimaat en het leven in die streken natuurlijk vervolgens ongekende effecten.
Wat concreet nu al kan
Energyefficiency is the biggest gain. We kunnen nog zulke geweldige technologische alternatieven en oplossingen bedenken, maar pure besparing, dus hogere op rendementen bij energiegebruik blijven de grootste, directe succesfactor. Technisch is alles al beschikbaar daarvoor, maar wel tegen een prijs. Daar zie je – opnieuw – dat de oplossing niet as such kan komen van een slimmere tech-aanpak.
Een goed voorbeeld zijn de ijskasten. Die waren 30 jaar geleden de grootste stroomslurpers in elk huis. En bij ons in de USA zijn ze groot, vreten ze stroom. Toen er voorschriften kwamen om daar wat aan te doen, moest de industrie daar wel snel op inspelen en dat deden ze ook. Dat bleek ook prima te kunnen, ze zijn echt niet dom. They’re really smart. In enkele decennia zijn ijskasten met een factor 4 efficiënter geworden. De consument vindt dat natuurlijk prachtig als de stroomprijzen maar stijgen. De besparing die dit voor heel de USA opleverde, dat geloof je bijna niet. Het was evenveel als er door de stuwdammen in heel het land aan stroom geproduceerd werd, enkele procenten van de totale consumptie.
Wat de ijskast was, dat is nu de computer. In huis en ook de rekencentra van instellingen en bedrijven. Dat zijn de grote slurpers van de 21e eeuw! Het duurde even, maar dat besef is nu volop doorgedrongen. We doen in ons Lab onderzoek naar nieuwe typen van architectuur van supercomputers. Sinds 2 jaar is dat thema volop aanwezig, en sinds een jaar zijn ook bedrijven alert geworden op de enorme besparingen die hier mogelijk zijn. AOL en Google bijvoorbeeld, die hebben wereldwijd grote aantallen supercomputers aan het werk, en die zijn over de energieconsumptie en –kosten daarvan inmiddels echt verontrust geworden.
Naast de enorme winst die efficiency kan realiseren zijn er nog andere, alternatieve bronnen. Zonne-energie is natuurlijk iets moois. Maar nog steeds is het gewoon heel erg duur. Het leeft dankzij hoge subsidies en dat zijn wel kosten voor energie, hoe je het ook wilt zien. Die zware subsidies zijn bovendien uiteindelijk een rem op snelle ontwikkeling. Zonne-energie kan zeker 50% in kosten omlaag en veel meer rendement krijgen. Ik zou ervoor pleiten de R&D daar vooral op te blijven richten en niet zo sterk op ‘het idee’ zonne-energie als zodanig.
De kernenergie zal deze eeuw wel moeten toenemen, willen we de komende decennia de klimaateisen echt kunnen beantwoorden. De grote bottlenecks blijven alleen wel: afval en het risico van proliferatie. Er wordt wel gewerkt aan afvalproductie door kerncentrales, maar een betere verwerking is nog niet echt klaar om toe te passen in de energiemarkt.
Toch zal dat probleem nog eerder aangepakt kunnen zijn dan dat het alternatief van kernfusie opgelost is. Dat komt wel, maar ik denk toch wel we tot 2060-70 met de realiteit moeten rekening houden, dat kernenergie – in de huidige opzet van kernsplitsing – centraal staat.
2008 en verder
Dit thema is nu in de presidentsverkiezing geen hot button issue. Ik snap dat wel. Ten eerste hoeft het ook niet, want eigenlijk weten alle kandidaten en partijen heel goed hoe wezenlijk dit thema inmiddels is. Ten tweede moet je maar eens kijken hoe deze verkiezingen ineens inhoudelijk omslaan: een klap op de beurzen, bad loans, huizen ineens veel minder waard, inflatie omhoog door hoge kosten voor voedsel en energie. Dat is dan politiek niet het beste moment om te komen met zoiets als flink meer kosten om energiebesparing door isolatie van huizen snel mogelijk te maken.
Zelf moet ik er vooral voor zorgen dat ik geen partijdigheid heb. Bij politici van alle richtingen geldt voor mij talk to those people! En dat lukt. Van de staat California tot het Congres en het ministerie van Energie. ‘You know, it’s not about the politics anymore. This is beyond that.’
