Je leest:

Met welk lichtzeil varen we naar de sterren?

Met welk lichtzeil varen we naar de sterren?

Ruimteschip gaat in twee minuten naar twintig procent van de lichtsnelheid

Auteur: | 11 mei 2018

Via het ambitieuze Starshot Breakthrough Initiative vertrekt in de toekomst wellicht een zwerm van superlichte ruimtesondes richting de sterren van Alpha Centauri voor onderzoek. Maar de beoogde ruimtescheepjes moeten zeker tien vierkante meter groot zijn en minder dan een gram wegen. Amerikaanse wetenschappers breken nu hun hoofd over het ontwerp.

Vergeet de enorme ruimteschepen waarmee de mens in sciencefictionfilms en -boeken van ster naar ster pendelt. In de echte wereld is het waarschijnlijker dat kleine, onbemande en ultralichte sondes voor ons op weg gaan naar de sterren. Voorlopig is er alleen een voorzichtig plan om naar de driedubbelster Alpha Centauri te reizen, op een afstand van 4,3 lichtjaar de dichtstbijzijnde sterren tot ons zonnestelsel.

25259478171 362f97c24f o
Impressie van een lichtzeil dat wordt aangedreven door een sterke laser vanaf de aarde.

In 2016 presenteerde de Russische miljardair Yuri Milner, bijgestaan door Stephen Hawking en Facebookbaas Mark Zuckerberg, het Starshot Breakthrough Initiative als een van de missies van de particuliere organisatie Breakthrough Initiatives. Het idee is om naar Alpha Centauri te ‘zeilen’ met zogenoemde lichtzeilen.

Het lichtzeil-concept is al ongeveer een eeuw oud en gaat uit van een grote en dunne constructie waarop licht schijnt. Weerkaatsende lichtdeeltjes oefenen een kleine maar meetbare kracht uit op het zeil, net als de wind in het zeil van een schip op zee. Zeker een krachtige lichtbron zoals een laser kan een ruimteschip in theorie een grote snelheid meegeven.

Extreme ruimtemissie

Volgens de initiatiefnemers zou het nog zeker twintig jaar duren om het plan van de grond te krijgen. Om te beginnen stelden ze 100 miljoen dollar beschikbaar voor onderzoek. De sterke lasers in het Starshot-plan versnellen lichtzeilen in de ruimte binnen luttele minuten tot ongeveer 60.000 kilometer per seconde. Met die snelheid duurt de onderzoeksmissie naar Alpha Centauri nog steeds twintig jaar.

Deze nogal extreme ruimtemissie vraagt om extreem ingenieurswerk. Een belangrijke vraag is waar je een lichtzeil van maakt dat tien vierkante meter groot is en minder dan een gram weegt. Bovendien moet het robuust zijn en mag het niet te heet worden door de laser. Wetenschappers van het California Institute of Technology (die niet aan het Starshot-initiatief verbonden zijn) publiceren deze week een verkennende studie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Materials.

Artist%e2%80%99s impression of the planet around alpha centauri b %28annotated%29
Impressie van Alpha Centauri-stelsel met twee van de drie sterren (Alpha Centauri A en B) en de exoplaneet Alpha Centauri b. De afstand tot dit stersysteem is duizelingwekkend. Ter vergelijking: de afstand tussen de aarde en buurplaneet Mars varieert tussen de ruwweg 50 en 400 miljoen kilometer. De afstand naar Alpha Centauri is met een kleine 40 biljoen kilometer minimaal 100.000 keer verder.

Perfecte spiegel

Ikaros solar sail
Impressie van het eerder geteste IKAROS-lichtzeil.

Een lichtzeil is géén sciencefiction. De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA testte het concept in 2010 al met de IKAROS-missie naar Venus, dat met de kracht van het zonlicht over een periode van drie jaar een (extra) snelheid bereikte van zo’n 1500 km/h. Het zeil was gemaakt van een kunststofpolymeer en was 7,5 micrometer dik (ongeveer een tiende van een haardikte), met daarop een dunne reflecterende aluminiumlaag. Starshot moet nóg veel dunner. De gehele sonde inclusief lichtzeil heeft een maximumgewicht van ongeveer een gram, een kwart van een suikerklontje. Joeson Wong en collega’s kijken daarom naar materialen van minder dan 0,1 micrometer dik. Het heeft niet meer dan 100 atoomlagen.

Je kan zo’n dun laagje van goud of zilver maken. Dat zijn goede reflectoren voor het beoogde infrarode laserlicht, maar niet goed genoeg. Zelfs wanneer het lichtzeil een fractie van het licht van de aandrijflaser absorbeert, oververhit het zeil en smelt. Halfgeleidende materialen zoals molybdeenselenide of galliumarsenide spiegelen beter maar zijn weer te zwaar. Uiteindelijk komen de onderzoekers uit op silicium, diamant of molybdeensulfide, wat een goede middenweg is tussen spiegelen en lichtgewicht.

Afgelopen jaar onderzochten wetenschappers van de Technische Universiteit in het laboratorium een experimenteel lichtzeiltje van grafeen. Dit superdunne en sterke materiaal wordt in dit onderzoek niet genoemd.

Overigens verandert de golflengte van het licht dat bij de sonde aankomt, tijdens de versnellingsfase. Door de steeds hogere snelheid krijgt het licht een langere golflengte. Het zeil moet daarom verschillende golflengtes goed reflecteren. Je kunt met die eigenschappen ‘spelen’ door bijvoorbeeld kleine gaten of pilaartjes in of op het materiaal aan te brengen. ‘Met een lichtzeil met een dikte van 59 nanometer, gemaakt van silicium of molybdeensulfide, met daarin 490 nanometer grote gaten, is de kruissnelheid in ruim twee minuten te halen’, staat er in het artikel.

(On)bestuurbaar

Aerogelbrick
Aerogel is een materiaal dat mogelijk kan dienen ter versteviging van het lichtzeil. Het is erg licht en sterk. Hier staat een 2,5 kg zware baksteen op een stukje aerogel van twee gram.

Naast de materiaalkeuze keken de onderzoekers ook naar de laser. Een kaarsrecht zeil waarop een gelijkmatige laserbundel valt is onstabiel. Kleine verstoringen groeien snel uit tot grote afwijkingen. Dit is te voorkomen met een soort ‘donutvormige’ laserbundel, die afwijkingen corrigeert.

Tot slot bekijken de onderzoekers de constructie van het zeil. Het maken van zo’n groot en dun materiaal is uitdagend. De wetenschappers vermoeden dat een superdunne glaslaag kan dienen als ondersteuning van de reflectieve laag. Toch moet dit glas nog veel dunner worden dan de huidige productietechnieken toestaan (momenteel tientallen micrometers dik). Ook denken ze aan zogenoemde aerogels ter stabilisatie. Dat zijn superlichte en sterke materialen. Ook daar is nog veel onderzoek nodig. Over de reflectieve laag van bijvoorbeeld silicium maken ze zich minder zorgen: met bestaande technieken zoals opdampen is het mogelijk om uniform gelijkmatige lagen van minder dan 100 nanometer dik te maken.

Alpha  beta and proxima centauri %281%29
Alpha Centauri (links) en Beta Centauri (rechts) gezien vanaf de aarde. Rood omcirkelt is de ster Proxima Centauri die samen met andere twee sterren van Alpha Centauri een driedubbelsysteem vormt.

De lange weg naar Alpha Centauri

Eenmaal onderweg komt het lichtzeil gevaren tegen in de vorm van waterstof en heliumatomen die in zeer lage concentraties in de ruimte zweven. Ook beuken er minuscule stofdeeltjes met twintig procent van de lichtsnelheid op het zeil in. Zeker de stofdeeltjes vormen een potentieel gevaar. Het lichtzeil komt er naar schatting een miljard tegen onderweg. Deeltjes kleiner dan 0,3 micrometer smelten waarschijnlijk en laten kleine gaatjes achter in het zeil. Toch zijn de onderzoekers optimistisch: waarschijnlijk verlies je over de gehele reis minder dan 0,1 procent van het oppervlak van het zeil. Bovendien: het zeil kun je na de korte versnellingsfase ook dumpen, het is dan eigenlijk niet meer nodig.

Al met al zijn de onderzoekers voorzichtig positief over de interstellaire reis met een lichtzeil, al is er nog erg veel theoretisch en praktisch onderzoek nodig. Dat gaat nog jaren duren. In die zin is niet alleen de afstand tot de sterren onnoemelijk groot, maar heeft ook de ontwikkeling van het lichtzeil nog een enorme weg te gaan. Om nog maar te zwijgen over de onwaarschijnlijk krachtige 100 gigawatt laser die nodig is als aandrijving, of het minder dan een gram wegende ruimteschip.

Bron

  • Wong J. et al., Materials challenges for the Starshot lightsail, Nature Materials (7 mei 2018), DOI:10.1038/s41563-018-0075-8
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 11 mei 2018

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.