Kan een ruimteschip zijn eigen brandstof verzamelen?

Jean-Paul Keulen

16-06-2022 11:00:00

ramjet

Een ruimteschip dat tijdens de reis zijn eigen brandstof verzamelt, klinkt ideaal. Maar of het ook haalbaar is… Natuurkundige Peter Schattschneier sloeg aan het rekenen om dit te bepalen.

We hebben het er in KIJK wel vaker over: eigenlijk zijn de raketten die we nu gebruiken binnen de ruimtevaart helemaal niet handig. Vooral vervelend is dat ze brandstof nodig hebben – brandstof die je dus met je mee moet zeulen. Daar wordt je ruimteschip zwaarder van, en een zwaarder ruimteschip… heeft meer brandstof nodig om op snelheid te komen.

Maar wat nou als je die brandstof niet meeneemt, maar onderweg verzamelt? Dat is het idee achter de interstellar ramjet, die de Amerikaanse kernfysicus Robert Bussard bedacht in 1960. Sciencefictionschrijvers omarmden het idee – zie bijvoorbeeld de klassieker Tau Zero van Poul Anderson – maar natuurkundigen publiceerden er relatief weinig over. Nu heeft de Oostenrijker Peter Schattschneider – natuurkundige én sciencefictionschrijver – de handschoen alsnog opgepakt. Helaas bieden zijn berekeningen weinig hoop.

Lees ook:

Moeilijk te doorgronden

Stel je de Bussard ramjet in de basis voor als een ruimteschip met een enorme trechter aan de voorkant. Terwijl het ruimteschip van ster naar ster vliegt, schept die trechter protonen op. Die protonen worden dan geleid naar een kernfusiereactor die ze samensmelt en daar de energie bij opwekt die het ruimteschip voortstuwt.

Nu had Bussard al wel door dat een daadwerkelijke, fysieke trechter niet de meest praktische oplossing zou zijn. In plaats daarvan suggereerde hij magneetvelden te gebruiken om de protonen te verzamelen en naar de juiste plek te brengen. Hoe dat dan precies in zijn werkt zou moeten gaan, liet zijn wetenschappelijke artikel echter wijselijk in het midden.

Fast forward naar 1969. Toen kwam John Ford Fishback, student aan het Massachusetts Institute of Technology, daadwerkelijk met een plan voor een ramjet met een magnetische trechter. De Bussard ramjet – of, zoals Schattschneider deze variant noemt, de Fishback ramjet – was ineens een stuk concreter geworden.

Alhoewel: het artikel van Fishback was, in de woorden van Schattschneider, “taai en moeilijk te doorgronden”. Er waren dan ook weinig andere wetenschappers die er later op voortborduurden. En Fishback zou überhaupt nooit meer een wetenschappelijk artikel publiceren; niet lang na zijn ramjet-artikel pleegde hij zelfmoord.

Van de aarde naar de zon

Nog een keer fast forward, naar 2021. Peter Schattschneider voltooit een nieuwe sciencefictionroman, The EXODUS incident, waarin een ramjet wordt gebruikt. Omdat Schattschneider ook natuurkundige is, heeft hij tijdens het schrijven van zijn roman flink wat rekenwerk in die ramjet gestoken.

Peter Schattschneider ramjet
Natuurkundige Peter Schattschneider (rechts) bij een elektronenmicroscoop. Software die werd ontwikkeld om de magneetvelden in dit soort microscopen door te rekenen, gebruikte Schattschneider om te bekijken hoe groot een Bussard ramjet zou moeten zijn. © TU Vienna

Daarbij maakte hij handig gebruik van software die eerder was ontwikkeld voor het doorrekenen van magneetvelden op een heel andere schaal: in elektronenmicroscopen. Samen met de 81-jarige Amerikaan Al Jackson, ooit nog betrokken bij het Apolloprogramma, schrijft hij vervolgens ook maar een wetenschappelijk artikel over zijn ramjet-bevindingen, dat in februari 2022 is gepubliceerd

De conclusies van Schattschneider en Jackson zijn… ontluisterend. Uit hun studie blijkt dat de mond van de trechter, wil je er genoeg protonen mee opscheppen om een behoorlijke versnelling te bereiken, een middellijn moet hebben van zo’n 3600 kilometer. Dat is bijna zo groot als de maan.

Maar dat is nog niets in vergelijking met de lengte van de trechter. Die bedraagt maar liefst 160 miljoen kilometer. Oftewel: groter dan de afstand van de aarde tot de zon. Zo’n constructie ligt volgens Schattschneider en Jackson zelfs buiten het bereik van een beschaving die technologisch gezien millennia op ons voorligt. Laat staan dat wij aardbewoners zo’n megaconstructie in de nabije toekomst kunnen bouwen.

Geroosterde crew

Dan is er ook nog een aantal andere problemen met de ramjet. Zoals: hoe werkt die kernfusiereactor eigenlijk? Leuk dat zo’n ramjet protonen verzamelt, maar, zo weten kernfysici inmiddels: protonen fuseren tergend traag. Veel liever ga je aan de slag met deuterium en tritium. Maar ja, zulke atomen zweven niet zomaar in de interstellaire ruimte rond.

Een alternatief is om protonen te fuseren via de zogenoemde CNO-cyclus, die plaatsvindt in sterren zwaarder dan de zon en waar koolstof (C), stikstof (N) en zuurstof (O) aan te pas komen. Dat proces verloopt een stuk sneller dan wanneer je protonen fuseert op de ‘ normale’ manier, wat het in principe geschikter maakt voor de reactor van een ramjet. Nadeel is alleen dat je er temperaturen voor nodig hebt van honderden miljoenen graden.

Bovendien is zo’n fusiereactor niet 100 procent efficiënt. Een deel van de opgewekte energie wordt niet gebruikt om het ruimteschip te versnellen, maar komt vrij in de vorm van warmte. Daarom “moet het bewoonbare deel van het ruimteschip een flink eind van de motor af zitten, om ervoor te zorgen dat de crewleden niet worden geroosterd”, schrijft Schattschneider op de site Centauri Dreams.

Maar eigenlijk is het formaat van de ramjet-trechter alleen al genoeg om het ontwerp af te schrijven. Als zich ooit een buitenaardse beschaving meldt in ons zonnestelsel, lijkt de kans dan ook bijzonder klein dat die gebruikmaakt van ramjets. Tenzij deze aliens daarmee willen laten zien: “Kijk eens hoe geavanceerd we zijn! We weten zelfs het meest onpraktische idee voor een ruimteschipaandrijving denkbaar nog te realiseren.” En dat soort beschavingen kun je misschien maar beter uit de weg gaan.

Deze Far Out staat ook in KIJK 5/2022.

Bronnen: Acta Astronautica, TU Wien, Centauri Dreams (I), Centauri Dreams (II), Centauri Dreams (III)

Beeld: Een dikke zeventig jaar geleden bedacht de Amerikaanse wetenschapper Robert Bussard de interstellar ramjet: een aandrijving waarbij het ruimteschip de benodigde brandstof onderweg verzamelt met een soort trechter. © SPL/ANP



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Artikelen

NIEUW!

Haal nu het extra dikke zomernummer in huis