Helse versnelling voor lichtzeil naar Alpha Centauri

Gieljan de Vries

2021-06-24 12:00:00

lichtzeil

Hoe snel kunnen we naar de dichtstbijzijnde ster? Australische onderzoekers laten zien hoe je een lichtzeil in een kwartier kunt versnellen tot 20 procent van de lichtsnelheid.

Zelfs de allersnelste ruimtesonde (Parker Solar Probe, 247.000 kilometer per uur) zou duizenden jaren doen over de oversteek naar de dichtstbijzijnde ster Alpha Centauri. Die reis van 4,2 lichtjaar – 40 biljoen kilometer – kan en móet sneller, vinden de onderzoekers van het internationale Starshot-project van Breakthrough Initiatives. Dat onderzoeksprogramma wordt betaald door de Russisch-Israelische ondernemers en wetenschapsfilantropen Julia en Yuri Milner.

Met hun onbemande ruimtesonde willen de Starshot-onderzoekers in twintig jaar met 20 procent van de lichtsnelheid naar Alpha Centauri kunnen reizen. Zo hopen ze met een ruimterace te beginnen die steeds snellere interstellaire sondes oplevert. In een voorpublicatie op de website arXiv rekenen Australische projectleden nu voor hoe hun geplande lichtzeil de moordende lanceerfase kan overleven.

Lees ook:

Helse versnelling

Geen enkele chemische raket heeft genoeg energie om een tempo van 20 procent van de lichtsnelheid te halen. Om zijn microruimtesonde van één gram met 216 miljoen kilometer per uur het zonnestelsel uit te jassen, zet Starshot daarom in op een lichtzeil, een techniek waarbij de motor en brandstof achterblijven op aarde.

Lichtzeilen gaan vooruit dankzij de vederlichte aanraking van lichtdeeltjes die op het spiegelende zeil vallen. Die fotonen geven het zeil een duwtje, net zoals wanneer je er van achteren tegenaan zou blazen. Voor lichtdeeltjes is de stuwkracht onder normale omstandigheden nauwelijks meetbaar, maar die zachte hand wordt aanzienlijk minder subtiel in de plannen van Starshot. In plaats van te zeilen op zonlicht, willen de onderzoekers hun sonde lanceren met een laserkanon op aarde.

lichtzeil
Artistieke impressie van het lichtzeil Starshot, de eerste ruimtesonde naar een naburige ster. © Breakthrough Initiatives

100 gigawatt

Starshot heeft een kwartier om zijn lichtzeil op snelheid te brengen; daarna is het buiten het bereik van het laserkanon. Dat betekent doorpakken. Het project wil een laserinstallatie van een kilometer doorsnee neerzetten met een vermogen van 100 gigawatt. Dat is drie keer de Nederlandse elektriciteitsvoorziening.

Als die energie fatsoenlijk op het lichtzeil komt, geeft dat genoeg lichtkracht voor helse g-krachten van 66.666 keer zoveel als de aardse zwaartekracht. Daardoor voelt elke gram materiaal tijdens de lanceerfase als een gewicht van 66 kilogram. De Parker Solar Probe zou onder zijn eigen gewicht verpulveren, maar de ragfijne Starshot moet dit geweld een kwartier lang doorstaan. Genoeg ‘gefanboyd’ – is dit project ook maar in de verste verte haalbaar?

Balanceren

“Starshot is een enorm ambitieus project”, geeft projectlid Martijn de Sterke toe, als hoogleraar theoretische natuurkunde verbonden aan de Universiteit van Sydney. “We hebben lichte, enorm sterke materialen nodig, we moeten informatie terugsturen van 4,2 lichtjaar afstand, zonder dat het signaal van de sonde verdrinkt in de straling van de ster waar hij naast hangt… er zijn tientallen grote problemen om op te lossen.”

Zelf droeg de Nederlander deze week een steentje bij met een voorpublicatie over de cruciale lanceerfase van het lichtzeil op de wetenschapswebsite arXiv. “Een lichtzeil lanceren, is alsof je een boek in één richting over een spekgladde tafel probeert te duwen met een potlood”, schetst eerste auteur van de paper Mohammad Rafat (Universiteit van Sydney) de moeilijkheid van een laseraangedreven lichtzeil. “De kleinste afwijking zorgt er al voor dat het boek wegdraait van je potloodpunt”.

Anders gezegd: voor je het weet, knalt het lichtzeil zichzelf uit de laserbundel. Starshot denkt daarom aan slimme trucs om het lichtzeil tijdens de lancering op koers te houden. De laserbundel bijregelen is geen optie, daar gaat alles veel te snel voor. “Daarom wordt er bijvoorbeeld gedacht aan een laserbundel die sterker is aan de randen”, zegt Rafat. Als het lichtzeil wegglipt uit het centrum van de bundel, wordt het zo teruggeduwd door de extra ‘wind’ van het sterkere laserlicht aan de rand.

Tegenkrachten die de sonde middenin de bundel houden hebben wel een prijs: het dunne, flexibele ruimtezeil gaat er door schokken en trillen. “In onze paper laten we zien dat je zulke trillingen in Starshot kunt dempen door flexibele materialen te gebruiken die tegen elkaar in werken.”

Lange adem

Eén probleem op papier opgelost, nog een dozijn of meer te gaan. Starshot is een project van de lange adem en lijkt eerder bedoeld om te inspireren dan om snel te lanceren. De eerste experimentele tests met lichtzeilen zijn net begonnen en De Sterke denkt dat het nog tientallen jaren kan duren voor de sonde daadwerkelijk vertrekt. Hij ziet Starshot dan ook als een prachtig wetenschappelijk project om je tanden in te zetten. “In Sydney zetten we dit onderzoek in als Grand Challenge-project voor ambitieuze studenten.”

Op hoog tempo naar Alpha Centauri? Nog even geduld dus.

Bronnen: ArXiv, Breakthrough Initiatives, Martijn de Sterke, Mohammad Rafat

Beeld: Artistieke impressie van een lichtzeil op laseraandrijving. © M. Weiss/CfA

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Nieuws

Nieuwste editie

Met onder andere: Vliegende auto's - Leven na corona - Naaldloze injecties