Laserzeilschip snelt aan 60.000 km/s naar andere zonnestelsels
Als je weet dat een moonshot een lancering van een ruimtetuig naar de maan is, dan heb je een idee van de enorme ambitie die schuilgaat achter het Breakthrough Starshot-initiatief. Onder die noemer wil Stephen Hawking, samen met collega’s van onder andere de Princeton-universiteit en internetmiljardair Yuri Milner, een ruimtetuig ontwikkelen dat de afstand van de aarde naar Alpha Centauri in amper twintig jaar kan afleggen.
Alpha Centauri
Alpha Centauri is de dichtste buur van onze zon. Het zonnestelsel ligt op zo’n 4,37 lichtjaar van de aarde en dat zorgt voor praktische problemen. Een chemische raket of zelfs een door ionen voortgedreven ruimtetuig zou zo’n 30.000 jaar nodig hebben om het Alpha Centauri-systeem te bereiken. Ruimtevaart vereist wat planning en geduld, maar zo’n tijdspanne is toch iets te veel van het goede.
Zeilschip in de ruimte
De oplossing: een zeilschip. Vorig jaar lanceerde The Planetary Society Lightsail, een compacte cubesat met een groot zeil aan boord. Dat ultradunne zeil, vervaardigd uit mylar, diende niet om wind maar wel om zonlicht op te vangen. Licht bestaat uit fotonen en zelfs die elementaire deeltjes veroorzaken een reactie wanneer ze een object raken in een vacuüm. Zonlicht volstaat om een tuig als Lightsail naar de verste regionen van ons zonnestelsel te sturen maar zeilen op de zon heeft beperkingen. Een zeil is veel goedkoper en efficiënter dan een chemische raket, maar de versnelling met de hulp van zonlicht is tergend traag.
Geen raket
Breakthrough Starshot maakt gebruik van hetzelfde principe: Hawking en de zijnen willen gebruik maken van een zeil in plaats van een klassiek ruimtetuig. Dat moet wel: zelfs wanneer we grote vooruitgang boeken in rakettechnologie zal die vorm van propulsie nooit volstaan om een ander zonnestelsel te bereiken. Tsiolkovsky’s raketvergelijking, die de massa van een raket versus de bereikbare snelheid weergeeft, maakt pijnlijk duidelijk dat meer brandstof en een grotere motor zich niet vertalen in een grote snelheidswinst.
Een zeilschip is niet aan die beperking gebonden. Het Starshot-tuig moet erg klein zijn, nauwelijks enkele kubieke centimeters in omvang. De initiatiefnemers spreken zelf van een nanotuigje. Dankzij de vooruitgang in chiptechnologie en elektronische miniaturisatie is zo’n ding groot genoeg om alle nodige elektronica met zich mee te dragen. Kijk maar naar je smartphone om daar een voorbeeld van te zien.
Laserwind
Het mini-ruimteschip zal achter een metersgroot ultradun zeil hangen. Dat zeil rekent niet op fotonen van de zon, maar op een geconcentreerde lading licht van 100 gigawatt-lasers hier op aarde. De oprichters van het project maken zich sterk dat een dergelijk laser-array, dat ze net als telescopen op een hoge droge plaats hier op aarde willen bouwen, technisch mogelijk is.
Een missie naar Alpha Centauri zou bestaan uit een heuse vloot van nanozeilschepen, allemaal in positie gebracht met één klassieke lancering. De meerkost van één tuig versus een hele vloot is verwaarloosbaar en zorgt voor redundantie wanneer er iets mis loopt. Vervolgens moet de turbolaser vanop aarde de zeilen van de dingen bestralen als een soort artificiële zonnewind. Een laser die sterk genoeg is kan een klein en licht ruimtezeilschip in theorie in enkele minuten versnellen tot ongeveer 60.000 kilometer per seconde, wat overeenkomt met 20 procent van de lichtsnelheid.
1.500 keer sneller
Tegen die snelheid zouden de zeilschepen hun doel in ongeveer 20 jaar bereiken in plaats van 30.000 jaar. Communicatie huiswaarts zou gebeuren met een compacte maar krachtige laser, die gegevens en zelfs foto’s naar de aarde moet stralen aan de snelheid van het licht. Die zouden ons dan 4,37 jaar na vertrek bereiken.
De wetenschappers achter Breakthrough Starshot maken zich sterk dat alle benodigde technologie voor het project oftewel al bestaat, of anders op het punt staat om ontwikkeld te worden. Het gaat hier met andere woorden niet om sciencefiction, maar om een project waar de wereld zich vandaag achter kan scharen zodat wijzelf met het nodige geluk de resultaten nog kunnen zien.
Prijzig project
Natuurlijk hangt er een prijskaartje aan vast: op de website lezen we dat de kostprijs vergelijkbaar zal zijn met die van de grootste wetenschappelijke projecten vandaag. Daarbij denken we aan onder andere de bouw van de Large Hardon Collider en de zoektocht naar het Higgs Boson, een project dat volgens Forbes zo’n 13,25 miljard dollar kostte. Waanzinnig veel dus, maar niet meer dan wat eerder al naar wetenschappelijke projecten ging.
[related_article id=”162537″]Breakthrough Starshot, dat naast Yuri Milner en Stephen Hawking ook steun krijgt van onder andere Mark Zuckerberg en Ann Druyan, de weduwe van de geestelijke vader van het ruimtezeil, is een onderdeel van de Breakthrough-initiatieven die zich verder focussen op de studie van de sterren rondom ons. Breakthrough Listen moet zo bijvoorbeeld meer te weten komen over de planeten in een baan rond Alpha Centauri.
Geen rem
Enkele praktische vragen blijven onbeantwoord in de voorstelling van het project. Het lijkt ons bijvoorbeeld nog een uitdaging om foto’s te nemen van een verre planeet wanneer het ruimtetuig die planeet voorbij schiet aan twintig procent van de lichtsnelheid. Zomaar afremmen gaat niet, omdat er geen laser bestaat om het zeilschip in tegengestelde richting te bestralen. Het project is desalniettemin veelbelovend: het toont aan dat we vandaag al (bijna) voldoende technologie bezitten om tuigjes naar andere sterren te sturen.
Geld
Zoals steeds is de grootste uitdaging dus geld. Dat het project niet van een land, maar van enkele personen uit gaat, kan hopelijk helpen om fondsen uit verschillende hoeken te verwerven. De moeilijkheid is om mensen en regeringen te overtuigen om dat geld in een dergelijk project te stoppen, terwijl er hier op aarde nog zoveel uitdagingen zijn.
Hebben we echter de ambitie om als soort langer te leven dan de planeet waarop we geboren zijn, dan beginnen we beter vroeger dan later aan dergelijke ambitieuze projecten. “De aarde is een prachtige plaats, maar ze zal niet voor altijd bestaan”, illustreert Stephen Hawking. “Vroeg of laat moeten we naar de sterren kijken en Breakthrough Starshot is een spannende eerste stap in die richting.”
Als je weet dat een moonshot een lancering van een ruimtetuig naar de maan is, dan heb je een idee van de enorme ambitie die schuilgaat achter het Breakthrough Starshot-initiatief. Onder die noemer wil Stephen Hawking, samen met collega’s van onder andere de Princeton-universiteit en internetmiljardair Yuri Milner, een ruimtetuig ontwikkelen dat de afstand van de aarde naar Alpha Centauri in amper twintig jaar kan afleggen.
Alpha Centauri
Alpha Centauri is de dichtste buur van onze zon. Het zonnestelsel ligt op zo’n 4,37 lichtjaar van de aarde en dat zorgt voor praktische problemen. Een chemische raket of zelfs een door ionen voortgedreven ruimtetuig zou zo’n 30.000 jaar nodig hebben om het Alpha Centauri-systeem te bereiken. Ruimtevaart vereist wat planning en geduld, maar zo’n tijdspanne is toch iets te veel van het goede.
Zeilschip in de ruimte
De oplossing: een zeilschip. Vorig jaar lanceerde The Planetary Society Lightsail, een compacte cubesat met een groot zeil aan boord. Dat ultradunne zeil, vervaardigd uit mylar, diende niet om wind maar wel om zonlicht op te vangen. Licht bestaat uit fotonen en zelfs die elementaire deeltjes veroorzaken een reactie wanneer ze een object raken in een vacuüm. Zonlicht volstaat om een tuig als Lightsail naar de verste regionen van ons zonnestelsel te sturen maar zeilen op de zon heeft beperkingen. Een zeil is veel goedkoper en efficiënter dan een chemische raket, maar de versnelling met de hulp van zonlicht is tergend traag.
Geen raket
Breakthrough Starshot maakt gebruik van hetzelfde principe: Hawking en de zijnen willen gebruik maken van een zeil in plaats van een klassiek ruimtetuig. Dat moet wel: zelfs wanneer we grote vooruitgang boeken in rakettechnologie zal die vorm van propulsie nooit volstaan om een ander zonnestelsel te bereiken. Tsiolkovsky’s raketvergelijking, die de massa van een raket versus de bereikbare snelheid weergeeft, maakt pijnlijk duidelijk dat meer brandstof en een grotere motor zich niet vertalen in een grote snelheidswinst.
Een zeilschip is niet aan die beperking gebonden. Het Starshot-tuig moet erg klein zijn, nauwelijks enkele kubieke centimeters in omvang. De initiatiefnemers spreken zelf van een nanotuigje. Dankzij de vooruitgang in chiptechnologie en elektronische miniaturisatie is zo’n ding groot genoeg om alle nodige elektronica met zich mee te dragen. Kijk maar naar je smartphone om daar een voorbeeld van te zien.
Laserwind
Het mini-ruimteschip zal achter een metersgroot ultradun zeil hangen. Dat zeil rekent niet op fotonen van de zon, maar op een geconcentreerde lading licht van 100 gigawatt-lasers hier op aarde. De oprichters van het project maken zich sterk dat een dergelijk laser-array, dat ze net als telescopen op een hoge droge plaats hier op aarde willen bouwen, technisch mogelijk is.
Een missie naar Alpha Centauri zou bestaan uit een heuse vloot van nanozeilschepen, allemaal in positie gebracht met één klassieke lancering. De meerkost van één tuig versus een hele vloot is verwaarloosbaar en zorgt voor redundantie wanneer er iets mis loopt. Vervolgens moet de turbolaser vanop aarde de zeilen van de dingen bestralen als een soort artificiële zonnewind. Een laser die sterk genoeg is kan een klein en licht ruimtezeilschip in theorie in enkele minuten versnellen tot ongeveer 60.000 kilometer per seconde, wat overeenkomt met 20 procent van de lichtsnelheid.
1.500 keer sneller
Tegen die snelheid zouden de zeilschepen hun doel in ongeveer 20 jaar bereiken in plaats van 30.000 jaar. Communicatie huiswaarts zou gebeuren met een compacte maar krachtige laser, die gegevens en zelfs foto’s naar de aarde moet stralen aan de snelheid van het licht. Die zouden ons dan 4,37 jaar na vertrek bereiken.
De wetenschappers achter Breakthrough Starshot maken zich sterk dat alle benodigde technologie voor het project oftewel al bestaat, of anders op het punt staat om ontwikkeld te worden. Het gaat hier met andere woorden niet om sciencefiction, maar om een project waar de wereld zich vandaag achter kan scharen zodat wijzelf met het nodige geluk de resultaten nog kunnen zien.
Prijzig project
Natuurlijk hangt er een prijskaartje aan vast: op de website lezen we dat de kostprijs vergelijkbaar zal zijn met die van de grootste wetenschappelijke projecten vandaag. Daarbij denken we aan onder andere de bouw van de Large Hardon Collider en de zoektocht naar het Higgs Boson, een project dat volgens Forbes zo’n 13,25 miljard dollar kostte. Waanzinnig veel dus, maar niet meer dan wat eerder al naar wetenschappelijke projecten ging.
[related_article id=”162537″]Breakthrough Starshot, dat naast Yuri Milner en Stephen Hawking ook steun krijgt van onder andere Mark Zuckerberg en Ann Druyan, de weduwe van de geestelijke vader van het ruimtezeil, is een onderdeel van de Breakthrough-initiatieven die zich verder focussen op de studie van de sterren rondom ons. Breakthrough Listen moet zo bijvoorbeeld meer te weten komen over de planeten in een baan rond Alpha Centauri.
Geen rem
Enkele praktische vragen blijven onbeantwoord in de voorstelling van het project. Het lijkt ons bijvoorbeeld nog een uitdaging om foto’s te nemen van een verre planeet wanneer het ruimtetuig die planeet voorbij schiet aan twintig procent van de lichtsnelheid. Zomaar afremmen gaat niet, omdat er geen laser bestaat om het zeilschip in tegengestelde richting te bestralen. Het project is desalniettemin veelbelovend: het toont aan dat we vandaag al (bijna) voldoende technologie bezitten om tuigjes naar andere sterren te sturen.
Geld
Zoals steeds is de grootste uitdaging dus geld. Dat het project niet van een land, maar van enkele personen uit gaat, kan hopelijk helpen om fondsen uit verschillende hoeken te verwerven. De moeilijkheid is om mensen en regeringen te overtuigen om dat geld in een dergelijk project te stoppen, terwijl er hier op aarde nog zoveel uitdagingen zijn.
Hebben we echter de ambitie om als soort langer te leven dan de planeet waarop we geboren zijn, dan beginnen we beter vroeger dan later aan dergelijke ambitieuze projecten. “De aarde is een prachtige plaats, maar ze zal niet voor altijd bestaan”, illustreert Stephen Hawking. “Vroeg of laat moeten we naar de sterren kijken en Breakthrough Starshot is een spannende eerste stap in die richting.”
