Je leest:

De weg naar de sterren

De weg naar de sterren

Auteur: | 29 oktober 2005

Met warp-drive door het heelal racen: pure science fiction. Nou ja, tot je met NASA-medewerker Marc Millis praat. Hij denkt dat we zulke magische technologie met muizenstapjes kunnen ontdekken. Met een kleine kring wetenschappers zoekt Millis doorbraken in de natuurkunde.

“Kijk, ik denk zomaar dat de mensheid het niet echt waardeert als we de zon stelen”, klinkt het in een zaaltje van de Universiteit van Tilburg. Aan het woord is NASA’s Marc Millis, leider van het oude Breakthrough Propulsion Physics-programma (doorbraken in aandrijvingsfysica). Op flitsbezoek in Nederland vertelde hij een uur lang over de verre, ongelofelijke toekomst van de ruimtevaart. Allemaal op persoonlijke titel, want NASA zette ‘zijn’ programma in 2002 in de ijskast.

“Er werd gesneden in het NASA-budget, en BPP was een van de slachtoffers”, herinnert Millis zich. Hij zocht op eigen houtje wetenschappers om het onderzoek voort te zetten. Zijn Interstellar Flight Foundation stimuleert onderzoek naar baanbrekende fysica waarmee een ruimtevaartuig – liefst zonder brandstof en sneller dan het licht – naar andere sterren kan reizen. Onzin? “Welnee”, zegt Millis: “als je dit onderzoek goed opzet, is het niet anders dan normale wetenschap. Ook als een idee niet blijkt te kloppen, leer je daar van voor de toekomst.”

Marc Millis werkt al zijn hele loopbaan aan interstellaire ruimtevaart. Toen NASA het Breakthrough Propulsion Physics-programma startte in 1996, was hij dan ook een logische projectleider. Door budgetproblemen werd het programma in 2002 gestopt. Millis is nu bezig een onafhankelijke stichting op te richten die het onderzoek naar snelle ruimteschepen en nieuwe energiebronnen voort moet zetten. bron: NASA

Waar komt die fascinatie voor reizen naar de sterren vandaan? “Ik groeide op toen het Apollo-programma liep. (Amerikaanse maanlandingen in de jaren ‘60/’70.) Wat ik me nog glashelder kan herinneren van de weken na de eerste maanlanding, is het gevoel van eenheid. Iedereen op aarde leek wel verenigd in verwondering over zo’n prestatie. Toen dacht ik: de ontwikkelingen in de ruimtevaart gaan zó snel, dat er vast al een permanente maanbasis staat als ik volwassen ben. Dan zijn ze vast toe aan iets geavanceerders dan raketaandrijving.

“Jammer genoeg had ik buiten de budget-krimp van NASA gerekend. In de jaren ’80 sneed het congres flink in de fondsen en stagneerde de ruimtevaart. Ik werkte toen al bij NASA in een andere onderzoekslijn, maar publiceerde één paper met wat ideeën over interstellair reizen. Dat maakte een stortvloed van reacties los. Iedereen zat te wachten op iemand die de kar trok – en ik werd min of meer gekozen tot die voorloper. Dus probeer ik nu zoveel mensen als maar kan warm te maken voor het idee. We kunnen beter proberen de ruimte tussen de sterren te veroveren dan elkaars landen.”

Wat is het grootste probleem van interstellair reizen? “De afstanden zijn de bottleneck. Dat we die meten met licht als maatstaf spreekt al boekdelen. Licht reist met 300.000 km/s door de ruimte en is het allersnelste verschijnsel dat we kennen. Zelfs dat licht heeft er nog jaren voor nodig om de afstanden tussen de sterren te overbruggen. Een lichtjaar (9.460 miljoen maal één miljoen km, GdV) is de afstand die het licht in één jaar aflegt – een enorme afstand. Voyager 1, de snelste ruimtesonde die wij hebben gemaakt, heeft in 20 jaar 14 miljard kilometer afgelegd. Hij zou 80.000 jaar nodig hebben om de vier lichtjaar naar Alpha Centauri te overbruggen. “Daar gaan we dus niet op wachten.”

Een van de bekendste sneller-dan-het-licht aandrijvingen komt uit de serie Star Trek. De warp drive surft op een rimpeling in het weefsel de ruimtetijd. In Einstein’s relativiteitstheorie kan geen enkel voorwerp sneller dan het licht bewegen, maar er is in de theorie geen enkele regel tegen snelle golven van de ruimte zelf. Warp drive werkt volgens Millis als een loopband op het vliegveld. Als je daarop staat (in de bubbel van een Warp Drive) wordt je vanzelf verplaatst, ook al beweeg je je benen niet. Warp drives leken pure sci-fi, tot de Mexicaanse theoretisch natuurkundige Miguel Alcubierre in 1994 liet zien dat ze misschien echt werken. In zijn berekeningen moest Alcubierre helaas een truuk gebruiken: hij voerde een negatieve energie in, die voor de noodzakelijke vervormingen van de ruimtetijd zorgt. Negatieve energie is een van de exotischer mogelijkheden van de kwantummechanica (en dat wil wat zeggen). Het is energie die zorgt voor afstotende in plaats van aantrekkende zwaartekracht. Niemand weet hoe je zulke energie moet verzamelen; in laboratoria is ze nog nooit waargenomen. Er zijn nog meer problemen met de Alcubierre-aandrijving. Ten eerste heb je niet zo’n klein beetje negatieve energie nodig: meer dan in het totale universum beschikbaar is! Chris van den Broeck (KU Leuven) liet overigens zien dat er een energie-zuiniger variant bestaat dan Alcubierre berekende. Het probleem dat ook Van den Broeck niet kon oplossen is dat de wand van de ruimtetijd-bubbel causaal gescheiden is van de binnenkant. Net als er niets uit een zwart gat kan ontsnappen, komt geen enkel signaal ooit van binnenin naar de rand van de bel. Eenmaal ingeschakeld kan de bemanning van zo’n warp drive niet sturen of ooit nog remmen! Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Waarom gaan we niet per raket? “Met een raket kom je nooit naar een andere ster. Als je met de allerbeste raket die je kunt bedenken in ‘maar’ 50 jaar naar Alpha Centauri wilt reizen – de dichtstbijzijnde ster – weegt je brandstofvoorraad zoveel als de zon. En dat is alleen nog maar voor een fly-by! Wil je bij Alpha Centauri stoppen, dan heb je nog eens zo’n voorraad nodig om te remmen. Plus extra brandstof om die hele remvoorraad vanaf de aarde te lanceren. Duidelijk een onbegonnen zaak.”

Zijn er geen andere aandrijvingen die we met de huidige kennis kunnen bouwen? “Er is vanalles bedacht. Zo is er de stuwschep, een voertuig dat interstellair waterstof opschept en gebruikt om een kernfusie-aandrijving mee te stoken. Jammer alleen dat het interstellaire gas zó hard op de schep botst, dat het ding weer wordt afgeremd.

“Een ander idee is het lichtzeil. Licht kan kracht uitoefenen, net als wind. Neem je nou een groot en dun zeil van spiegelend materiaal, dan kun je van een ster wegzeilen op de lichtdruk. Het is gratis aandrijving, maar geen snelle. Denk maar aan 7000 jaar reistijd om naar Alpha Centauri te komen. Als je het zeil wilt versnellen met een laserkanon, moet dat elke seconde evenveel energie leveren als de mensheid normaal gebruikt. Een enorme klus!”

De állerzuinigste manier van interstellair reizen is met een lichtzeil. Lichtdeeltjes (fotonen) hebben weliswaar geen massa, maar Einstein liet in zijn relativiteitstheorie zien dat ze wel impuls kunnen overdragen – licht kan kracht uitoefenen. Een lichtzeil is een enorme spiegel die zeilt op de druk van het zonlicht. Gratis – maar nauwelijks bruikbaar. De kracht is zó klein, dat het een ruimteschip op lichtkracht 7000 jaar zou kosten om de reis naar Alpha Centauri af te leggen. bron: Cosmos-1. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Volgens Millis kunnen we met onze bestaande wetenschappelijke kennis geen interstellair ruimteschip bouwen. In het zonnestelsel kunnen onze raketten nog uit de voeten met de afstanden. Maar om naar andere sterren te reizen heb je domweg iets heel nieuws nodig. Een manier om sneller te reizen dan het licht, of een aandrijving waar je geen absurde hoeveelheden brandstof voor hoeft mee te slepen.

“NASA besloot een project op te zetten om de mogelijkheden van interstellaire ruimtevaart in kaart te brengen. Van 1996 tot 2002 werkte ik als projectleider van Breakthrough Propulsion Physics. Eigenlijk hetzelfde werk dat ik nu voortzet met de Interstellar Flight Foundation. We zitten nu echt in het publieke domein: wat wij verzinnen is van iedereen.”

Waarom is er een aparte stichting nodig om nieuwe ruimteaandrijvingen te ontwikkelen? “Omdat de alternatieven te veilig of te traag zijn. Een nationale organisatie als de NASA richt zich op nú haalbare doelen. Met bestaande techniek pakken ze uitdagingen aan als mensen op de maan zetten. Verder verbeteren ze de bestaande techniek. Maar NASA werkt niet aan heel nieuwe concepten. Bovendien kost de organisatie zoveel geld, dat alleen een nationale overheid dat op kan brengen. Op de lange termijn is het moeilijk zo’n investering vol te houden.

“Een tweede groep van ruimtevaarders bestaat uit wat ik de ondernemers noem. Met een beperkt budget, gesteund door een filantroop of bedrijf, ontwikkelen ze kleinschalige ruimtevaart. De doelgroep bestaat uit steenrijke avonturiers. Die mensen betalen voor joy rides in de ruimte. Denk maar aan de White Knight die in 2004 de X-Prize won. Die prijs ging naar het eerste particuliere ruimteschip dat twee keer in twee weken boven de 100 km. hoogte kwam. Een peulenschil voor NASA. Maar White Knight werd wél gebouwd voor een fractie van het space shuttle-budget. Zo’n investering is veel langer vol te houden, maar het nadeel is dat ondernemers met bestaande techniek werken. Ze spelen het wat dat betreft op safe. Een bezoek van een miljonair aan het internationale ruimtestation ISS levert geen nieuwe wetenschap op.”

Het eerste particuliere ruimteschip, SpaceShipOne van Burt Rutan. De driezitter wordt gelanceerd vanonder een speciaal ontworpen vliegtuig. Na ontkoppeling ontsteekt de piloot een raket op vaste brandstof en raast omhoog. SpaceShipOne wist in 2004 als eerste particulier ontworpen ruimteschip twee keer in twee weken boven de 100 km. hoogte te komen. Dat is de officiële grens tussen atmosfeer en de ruimte. Met die prestatie sleepte het team de X-Prize binnen, uitgeloofd voor het eerste door particulieren gebouwde herbruikbare ruimteschip. bron: Scaled Composites

Is uw onderzoeksstrategie zo anders dan die van NASA en particulieren? “Met de Interstellar Flight Foundation willen we onderzoek stimuleren naar compleet nieuwe ruimtevaartuigen. Ideeën die de komende honderd jaar of langer niet gebouwd zullen worden, maar misschien wel kúnnen werken. We kijken bewust ver vooruit en laten wetenschappers brainstormen over de mogelijkheden. Science fiction is daarbij een belangrijke bron van inspiratie. Tegelijkertijd vragen we een panel van wetenschappers heel kritisch naar de plannen te kijken.”

“Op dit moment hebben we nog geen fondsen, maar het plan is om onderzoek naar onze concept-aandrijvingen te stimuleren met aanmoedigingsprijzen. Ik ben van plan aan te kloppen bij ondernemers als Burt Rutan, die het White Knight-project opzette, of Richard Branson van Virgin Galactic. Zij financieren al joy ride-schepen voor de korte termijn, misschien willen ze ook bijdragen aan de verre toekomst van de ruimtevaart.”

Wie zijn de onderzoekers van de Foundation? “De Foundation bestaat nog maar kort. We hebben nu een kernteam van fondsenwervers, PR-mensen en een paar wetenschappers, maar we willen geen groot team van onderzoekers in dienst nemen. Het is de bedoeling dat we anderen stimuleren onderzoek te doen dat kan leiden tot doorbraken in de natuurkunde.

“Om het onderzoek aantrekkelijk en respectabel te maken voor gewone wetenschappers delen we het op in kleine, overzienbare projecten. In drie jaar moet een deelvraag te beantwoorden zijn. Dat levert serieuze wetenschap op. Iets dat de onderzoeker kan publiceren zonder bang te zijn voor spot van collega’s. Ondertussen helpt het ons een stap verder in de grote onderzoekslijn. We bouwen telkens voort op succesvolle onderzoekslijnen.”

Waarom de grote afstanden tussen de sterren bewandelen als je ook een stukje af kunt steken? Wormgaten zijn korte tunnels door de ruimtetijd die ver uit elkaar gelegen gebieden verbinden. Een ruimteschip dat door een wormgat reist hoeft veel minder afstand af te leggen dan de normale route tussen begin- en eindpunt. Om een wormgat open te wrikken en te houden heb je weer de exotische negatieve energie nodig, net als voor Alcubierre’s warp drive. Zonder die anti-zwaartekracht producerende energie zou een wormgat al instorten als er maar één foton doorheen reisde. Door het aan de binnenkant te voorzien van een negatieve-energie skelet zouden wetenschappers een permanent wormgat kunnen maken. Zulke martelingen van de ruimtetijd kosten in de regel onvoorstelbare hoeveelheden energie.

Hoe kies je welke onderwerpen wel en welke niet worden onderzocht? “We lenen in de Foundation een tactiek die ik ontwikkelde voor NASA’s Breakthrough Propulsion Physics: niet kijken naar de haalbaarheid van een idee, maar naar de mogelijkheden voor verder onderzoek. Als er zinnig vervolgonderzoek te doen is, proberen we dat uit te voeren; onbruikbare voorstellen schrappen we. Zo blijven we hopelijk ideeën uitbouwen en aanscherpen.

Als een onderzoek geen aanknopingspunten heeft voor een vervolgstudie: jammer. En: geen succes is ook succes! Als onderzoek aantoont dat een bepaalde voortstuwing niet kan werken omdat de natuurkunde niet klopt is dat een prima resultaat. We willen goede wetenschap stimuleren, geen jaknikkers opleiden die zonder bewijs roepen dat iets werkt.

“Verder willen we onderzoek stimuleren dat nog door niemand is opgepikt. Aan stringtheorie werken talloze wetenschappers, dus daar hoeven we geen extra onderzoekers voor te werven. Onderzoek naar het in evenwicht houden van een afgesloten ecosysteem is ook niet nieuw. Denk maar aan de Biosphere-projecten, waarin een team van wetenschappers probeerde een luchtdicht afgesloten complex leefbaar te houden.

Er zijn maar een paar mensen op de planeet die de mogelijkheden van wormgaten of warpdrives onderzoeken, dus die stimuleren we. En we kijken naar nog slecht onderzochte fenomenen als een zwaartekrachtsschild, dat de zwaartekracht er recht boven dempt. ESA is bezig met onderzoek naar het Pioneer-effect: de ruimtesondes Pioneer 10 en 11 worden door een onbekende kracht afgeremd. Het lijkt erop dat de remkracht niet door een lek aan boord komt, maar door een effect van buiten. Een onbekend zwaartekrachtseffect misschien? Dat moet natuurlijk onderzocht worden. Als een idee later – zoals bij het niet zwaartekrachtsschild – niet blijkt te werken, hebben we in ieder geval vastgesteld wat wel en niet mogelijk is."

Wat gaat de Interstellar Flight Foundation aan toepasbare wetenschap opleveren? “Dat weten we nog niet. Om eerlijk te zijn hebben we nog geen écht veelbelovende theorie om een sneller-dan-licht aandrijving mee te bouwen. Een doorbraak waarmee we naar de sterren kunnen is prachtig, maar vlak de spin-off van minder geslaagde ideeën niet uit. Stel dat we een schone energiebron vinden die te zwak is om een ruimteschip mee aan te drijven – dan hebben we alsnog een nieuwe krachtcentrale in handen!”

De Pioneer-10 en 11 remmen met nog geen miljardste van de aardse zwaartekracht af. De vertraging is volgens sommige natuurkundigen onverklaarbaar zonder een nieuwe, nog onbekende kracht. bron: NASA

Skeptici zeggen dat uw aandrijvingen theoretisch onmogelijk zijn. “Daar is niks mis mee. Hoogleraar Kip Thorne is bijzonder kritisch over onze ideeën. Maar hij levert opbouwende kritiek, die ons verder helpt. We hebben echt wetenschappers nodig die serieus naar onze onderzoeksplannen kijken, er gaten in prikken en zo laten zien waar we aandacht aan moeten besteden. Ik koppel graag een brainstormende enthousiasteling aan een kritische wetenschapper. Zo houd je de crackpots (amateur zonder zinnige ideeën) buiten de deur. Het probleem is, dat een visionaire wetenschapper en een crackpot soms zo moeilijk uit elkaar te houden zijn.”

Wanneer kunnen we de eerste vlucht naar Alpha Centauri verwachten? “Voorlopig nog niet. Al het onderzoek dat ooit een sneller-dan-licht schip op kan leveren staat nog in de kinderschoenen. Ik kan echt niet voorspellen wanneer een doorbraak plaats zal vinden – als die al te maken zijn. Maar vergis je niet, een revolutie in de wetenschap komt altijd eerder dan de pessimisten denken.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 oktober 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.