De Nobelprijs voor de Natuurkunde gaat dit jaar naar twee overbekende uitvindingen: de optische glasvezelkabel en het charge-coupled device (CCD). Hoewel de uitvindingen niet direct met elkaar te maken hebben, gelden ze beide als belangrijke doorbraken in de technologie. De drie Nobel-laureaten zijn toegepaste wetenschappers die hun uitvinden de laatste jaren de wereld hebben zien overnemen.

Van links naar rechts: Willard S. Boyle, George E. Smith en Charles K. Kao. Boyle (Canada, 1924) en Smith (VS, 1930) bedachten bij Bell Laboratories het charge-coupled device (CCD). Kao (China, 1933) ontdekte waarom glasvezelkabels niet goed werkten voor lichttransport, en bedacht een manier om het te verbeteren.

Bell Labs, IEEE, Richard Epworth

Licht door glasvezels

De kans is groot dat deze tekst met de lichtsnelheid naar je computer toe is gereisd. Waar we het een paar jaar geleden nog met tergend langzame telefoonlijnen moesten doen, wordt er nu in grote delen van de wereld gewerkt aan een netwerk van glasvezels waardoor informatie in de vorm van licht kan worden verstuurd. Dat licht een interessant medium is voor het versturen van informatie is al heel lang duidelijk. Maar hoe je het betrouwbaar over lange afstanden kunt versturen bleef lang een raadsel – totdat in 1966 de net gepromoveerde ingenieur Charles Kuen Kao een revolutie in de communicatietechnologie teweeg bracht.

In 1960 was de laser uitgevonden, een stabiele en krachtige lichtbron die perfect leek voor het versturen van informatie. Door de laser aan en uit te schakelen zou je nullen en enen kunnen versturen, en dat dan bliksemsnel. Het was meteen duidelijk dat er om laserlicht als informatiedrager te gebruiken een geleider nodig zou zijn – licht raakt in de lucht verstrooid doordat het tegen stofdeeltjes botst, en het is ook niet handig om een laserbundel met spiegeltjes de hoek om te leiden. De ideale lichtgeleider, zo bedachten Elias Snitzer en Will Hicks in 1961 al, zou een dunne glazen draad zijn, waarin een laserbundel tegen de zijkanten weerkaatst en zo opgesloten blijft. Maar bij tests met zulke draden, nu beter bekend als glasvezels, bleek dat er toch heel veel licht weglekt. Na 20 meter bleef nog maar 1% van het licht over!

Glasvezels als informatiedrager zijn niet meer weg te denken uit ons dagelijks leven. Hun werking is gebaseerd op het principe van totale interne reflectie. Doordat de buitenkant van de vezel een iets andere brekingsindex heeft dan de binnenkant, werkt deze als een spiegel op licht dat onder een grote hoek invalt. Zo weerkaatst de lichtbundel steeds weer binnen de kabel.

Airi Iliste/The Royal Swedish Academy of Sciences

Charles Kuen Kao begreep niet waarom glasvezels zoveel licht lekten, en besloot het uit te zoeken. Samen met de jonge onderzoeker George Hockham kwam hij erachter dat het overgrote merendeel van het licht in glasvezelkabels weglekte door onzuiverheden in het glas. Hij bedacht dat hele zuivere kabels gemaakt konden worden door draden te trekken van superheet gesmolten zand of kwarts. Zijn ontdekking leidde tot een groot aantal nieuwe technieken om glas te zuiveren, en in 1970 waren de eerste bruikbare glasvezelkabels klaar.

Kao probeerde een draad te ontwikkelen waarin na een kilometer nog 1% van al het licht over is. Inmiddels gebruiken we glasvezelkabels waarin 95% van al het licht na een kilometer nog in de kabel zit. Een uitgebreid netwerk van glasvezelkabels verbindt de hele wereld, voor telefonie en internet. Steeds betere kabels gecombineerd met steeds betere lasers hebben van Kao’s vinding de ruggegraat van onze wereldwijde communicatie gemaakt.

Lichtgevoelige cellen als camera

De tweede vinding die vandaag met de Nobelprijs voor de Natuurkunde wordt bekroond was een toevalstreffer. Bedenkers Willard Boyle en George Smith waren op zoek naar een betere manier om elektronisch geheugen te maken. Op een de ochtend van 8 september 1969 bedachten ze bij de Amerikaanse Bell Laboratories daarvoor een rooster met cellen van halfgeleidermateriaal, waarin meer elektronen worden opgevangen naarmate er meer licht op schijnt. Ze noemden hun vinding ‘Charge Bubble Devices’, een naam die later werd aangepast naar het nu overbekende charge-coupled device (CCD).

Licht dat wordt opgevangen door de lens van een CCD-camera valt op één van de vele ‘pixels’ op de CCD-chip. Die pixels vullen zich met elektronen naarmate er meer licht op valt. De lading die zo wordt verzameld kan dan worden afgelezen, en een computer kan de waarden omzetten naar het beeld dat erbij hoort.

Airi Iliste/The Royal Swedish Academy of Sciences

Het CCD bleek maar matig geschikt als elektronisch geheugen, maar betekende het begin van een nieuw tijdperk voor camera’s. De ontdekkers hadden er niet lang voor nodig om het nut van hun vinding voor fotografie in te zien, en in 1970 was er dan ook al het eerste prototype van een digitale camera. Hierin werken de ‘bubbels’ van het CCD als lichtdetectors, en stelt iedere bubbel een pixel voor. Het CCD maakte de lichtgevoelige film in camera’s overbodig, en dat bleek niet alleen handig voor allerdaagse film en fotografie. Je kunt met een CCD je opname namelijk direct digitaal doorsturen, en zo konden ook op satellieten in een baan om de aarde camera’s worden geïnstalleerd. De bekendste ‘buitenaardse’ CCD-camera is aan boord van de Hubble ruimtetelescoop, en heeft een schat aan informatie over het universum verzameld.

Wetenschap en technologie

De twee vindingen waaraan dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde is toegekend zijn beide relatief eenvoudige wetenschappelijke ontdekkingen, die de technologie volledig hebben veranderd. De ontdekkers zullen hun prijs – een medaille en een bedrag van 10 miljoen Zweedse kronen, verdeeld tussen de winnaars – dit najaar in ontvangst nemen.

Zie verder:

• De officiële website van het Nobelprijscommitee (Engels)
• Publieksinformatie over de Nobelprijs (Engels)
• Nobelprijzen van 2009
• Alfred Nobel

Meer over optische glasvezels:

• Fiber Optics (Engels)
• Informatie overdragen met licht

Meer over het CCD:

• Hoe werkt een CCD? (Engels)
• Werking CCD