Je leest:

Kunnen we straks met grafeen de ruimte in?

Kunnen we straks met grafeen de ruimte in?

Onderzoekers TU Delft doen proef in gewichtloosheid

Auteur: | 24 november 2017

Aangedreven door lichtzeilen kunnen ruimtesondes in de toekomst wellicht met grote snelheden door de ruimte reizen. Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft testten deze maand of het superdunne en sterke materiaal grafeen voor deze toepassing geschikt is.

Zoals de wind al duizenden jaren schepen over de wereldbol blaast, zo kan licht ons misschien door de ruimte ‘blazen’. Het effect is extreem klein, maar wanneer licht op een oppervlak valt oefent het een zekere kracht uit. In ons dagelijks leven is dit volledig onmerkbaar, maar wanneer je een groot oppervlak met een sterke lichtbundel, zoals zonlicht, beschijnt dan wordt het effect meetbaar. Dit is het concept van een lichtzeil, dat in theorie een aandrijfvorm is voor voornamelijk kleine en lichte ruimtesondes.

Grafeen wordt ook wel ‘kippengaas’ genoemd.

Er is voorzichtig met een lichtzeil geëxperimenteerd in de ruimte, maar het idee bestaat nog vooral op papier. Voor een nuttige aandrijving zijn grote lichtzeilen nodig, en veel tijd. Kleine en lichte sondes vormen wellicht een deel van de oplossing, maar waar maak je het zeil van? Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft denken nu aan grafeen, het superdunne materiaal van koolstof, ook wel ‘kippengaas’. De afgelopen tien jaar staat het volop in de belangstelling van de wetenschap omdat het bijzonder sterk en licht is en bovendien een supersnelle elektrische geleider.

Aan de afdeling Quantum Nanoscience van de universiteit wordt onderzoek gedaan aan grafeen. Vier promovendi testten hun idee deze maand in een zogenoemde valtoren in Bremen. Capsules met daarin experimenten worden daar vanaf een hoogte van ruim honderd meter losgelaten en zijn vervolgens ruim vier seconden in vrije val, en dus gewichtsloos. Tijdens zo’n test schijnen de onderzoekers met een laser op een flintertje grafeen om te zien of ze het kunnen bewegen met licht. Ze boekten vooralsnog een voorzichtig succes.

Uitdagend experiment

Het stukje grafeen dat de onderzoekers gebruikten had een bescheiden diameter van drie millimeter en was op een fijn rooster van koperdraad geplakt om te voorkomen dat het dubbelklapt. De onderzoekers hebben tijdens de proeven één keer waargenomen dat het grafeen zonder laserlicht in stilstand was, en dat het daarna onder invloed van blauw laserlicht verschoof. Het effect werd maar één maal succesvol waargenomen, en het resultaat is daarmee te mager voor een wetenschappelijk artikel. Toch noemt Vera Janssen, een van de betrokken onderzoekers, het een bescheiden succes.

Blik in de valtoren van de Universiteit Bremen waar onder gewichtloze omstandigheden experimenten gedaan worden. De experimenten bevinden zich in een capsule die door deze buis beweegt. De valafstand is 110 meter.

Er waren slechts vijf kansen om het experiment uit te voeren, verklaart Janssen. “De experimenten in een valtoren zijn bewerkelijk en duren lang”, zegt ze. “De toren moet helemaal vacuüm worden gepompt, alleen dat duurt al uren. Bovendien moeten wij het experiment na iedere test weer klaarmaken, waardoor het vacuüm er weer af moet. Iedere dag kunnen er twee experimenten gedaan worden in de toren, en wij kregen gedurende een werkweek één kans per dag.”

Uitgelicht door de redactie

Biotechnologie
Tuberculosebacterie speelt verstoppertje door maagzuurremmer

Geesteswetenschappen
Hoe schadelijk is de lange schoolvakantie?

Taalwetenschap
Een nieuwe taal creëren tijdens Lowlands

Graag hadden de onderzoekers het experiment vaker herhaald en onder meer omstandigheden getest. Zoals met rode en groene lasers. “Door te kijken naar de efficiëntie van de aandrijving met verschillende kleuren kom je meer te weten over het aandrijfmechanisme”, zegt Janssen. “Helaas hadden we daar echt te weinig experimenten voor.”

De proeven waren uitdagend. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om de capsule van beneden omhoog de toren in te schieten, waarna hij weer kaarsrecht naar beneden valt. De tijd van de vrije val wordt daarmee verdubbeld, tot maximaal 9,3 seconden. De jonge onderzoekers kwamen er echter snel achter dat zo’n ‘lancering’ het experiment verstoorde, waarna werd besloten om de laatste twee pogingen alleen naar beneden ‘te vallen’.

Eerlijk is eerlijk, het enkele resultaat is te weinig om het potentieel van een lichtzeil van grafeen te testen. “Maar het is een begin”, zegt Janssen. “Wij wilden dit concept op een fundamentele wijze testen, dat was nog niet eerder gedaan. Bovendien hopen we vervolgexperimenten te doen in de valtoren.”

Kaarsrecht omhoog en omlaag

De 146 meter hoge valtoren van de Universiteit Bremen waarin experimenten onder gewichtsloze omstandigheden plaatsvinden.

Om de subtiele effecten van de laser op het grafeen zichtbaar te maken, deden de wetenschappers de experimenten in gewichtsloosheid. Je hebt dan als onderzoeker verschillende keuzes. Zo kun je een experiment naar de ruimte schieten, bijvoorbeeld naar het internationale ruimtestation ISS waar astronauten het voor je uitvoeren. Perfecte omstandigheden wat betreft gewichtsloosheid, maar ruimtevaart is duur. Goedkoper is meegaan met een paraboolvlucht waarbij een omgebouwd passagiersvliegtuig tot ruim twintig seconden achter elkaar gewichtloosheid ervaart door een kilometerslange parabool te vliegen.

Toch gingen Janssen en collega’s voor de valtoren. Een die weliswaar een relatief korte periode gewichtsloosheid realiseert (maximaal 9,3 seconden), maar wel van hoge kwaliteit. “De valtoren-experimenten hebben een gewichtsloosheid die pakweg tienduizend keer ‘beter’ is dan een paraboolvlucht. De capsule ervaart een versnelling van slechts 0,000001 G, dat is nagenoeg volledig gewichtsloos”, zegt Janssen. “Ik vond het vrij indrukwekkend dat de technici in Bremen de capsule zo balanceren dat hij zonder geleiding ruim honderd meter nagenoeg loodrecht omhoog vliegt en daarna kaarsrecht naar beneden raast, om uiteindelijk in een grote bak met piepschuim tot stilstand te komen.”

Naar de sterren zeilen

Hoe staat het lichtzeil als aandrijving er nu voor? De enige succesvolle demonstratie werd geleverd door de Japanse ruimtesonde IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), die zo mede werd aangedreven door zonlicht. In 2010 werd de sonde gelanceerd richting Venus. Hij woog ruim 300 kilo en had een groot polymeren lichtzeil van veertien bij veertien meter. Datzelfde jaar vloog de sonde langs de planeet en vervolgde zijn weg in een baan rond de zon. De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA meldde in 2013 dat de sonde door het lichtzeil een extra zet van ongeveer 1500 km/u had ontvangen.

Het lichtzeil van IKAROS was gemaakt van een dun polymeer. Kunnen we dat in de toekomst vervangen door grafeen? “Wellicht kan dat”, zegt Janssen. “Voor zijn geringe dikte is het materiaal enorm licht en sterk, dat zijn ideale eigenschappen. Het materiaal is wel wat stijver dan een polymeer, en dat is misschien lastig op het moment dat je het zeil moet opvouwen voor de lancering.”

Impressie van een lichtzeil dat wordt aangedreven door een laser vanaf de aarde. Het project Breakthrough Starshot voorziet in een groot aantal extreem kleine ruimtesondes van slechts een paar gram die door lichtzeilen en een laser richting de drie sterren van Alpha Centauri worden gestuurd. Met een beoogde snelheid van ongeveer vijftien tot twintig procent van de lichtsnelheid zouden ze die weg in twintig tot dertig jaar afleggen.

Tot slot is een lichtzeil door zijn grote oppervlak gevoelig voor bijvoorbeeld micrometeorieten die met hoge snelheid door de ruimte schieten en het kunnen beschadigen. “Mochten we ooit ruimtesondes op weg sturen met een lichtzeil, dan doen we er goed aan om dat in veelvoud te doen”, zegt Janssen. “Dan maakt het niet uit als niet alle sondes aankomen.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 november 2017

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.