China heeft een bijna-monopolie op zeldzame aardmetalen (voor de techneuten onder u: lanthaniden, scandium en ytttrium). Dit doordat in China wat minder nauw om wordt gesprongen met milieuregels, waardoor de goedkope Chinese mijnen de rest van de wereld van de markt drukten. Vervelend nieuws, want elektromotoren (en de dynamo’s in windturbines) werken vaak met sterke permanente magneten waar deze zeldzame aardmetalen een essentieel onderdeel van vormen. Tot voor kort geen probleem, maar China heeft de export van de zeldzame aarden nu aan banden gelegd om zo buitenlandse fabrikanten te dwingen hun fabrieken naar China te verplaatsen. Gelukkig heeft GE Global Research nu een doorbraak bereikt: een sterke natuurlijke magneet bestaande uit veel voorkomende elementen.Arbeiders in Chinese mijnen werken onder erbarmelijke omstandigheden.
Vooral essentieel is het metaal neodymium dat met ijzer en boor in permanente magneten wordt verwerkt. Andere zeldzame aarden, waaronder dysprosium en terbium worden gebruikt om nog sterkere magnetische mengsels van te bakken. Op alle drie elementen heeft China een wurggreep. In de nieuwe materialen wordt gebruik gemaakt van nanostructuren: op zeer kleine schaal verandert de structuur van het materiaal de magnetische eigenschappen totaal. Hierdoor worden de magneten veel sterker. Op dit moment experimenteert de groep met verschillende combinaties van neodymium (toch), ijzer en kobalt. Alhoewel de onderzoekers niet verder zijn gekomen dan een dun laagje van het nieuwe nanomateriaal, zou dit wel eens de technische doorbraak kunnen zijn waardoor de afhankelijkheid van zeldzame aardmetalen wordt doorbroken – en hiermee de opmars van alternatieve energie door kan gaan. Ook buiten China…
De planetoïdengordel is een ring van brokstukken rots en ijs tussen de planeten Mars en Jupiter. Door de sterke zwaartekracht van Jupiter heeft zich hier nooit een grote planeet kunnen vormen. Pas in 1802 werd het eerste object in de planetoïdengordel, de ongeregelde ijsbal 1 Ceres, ontdekt.
De planetoïdengordel is vermoedelijk zeer rijk aan metalen en andere interessante materialen voor mijnbouw. Alhoewel de totale massa gering is, is het totale oppervlak enorm en is er geen atmosfeer, zodat mijnbouw veel makkelijker is dan op aardachtige planeten. Eindelijk een einde aan de burgeroorlog in Kongo en rampzalige dagmijnbouw?
Planetoïdengordel factsheet
Grootte: miljoenen fragmenten ijs, gesteente en metaal variërend van meer dan 900 km doorsnede (Ceres) tot enkele meters en kleiner
Zwaartekracht: 2,8% van de aarde (Ceres) tot vrijwel nul
Atmosfeer: vrijwel geen; zonnewind
Temperaturen: -108 graden tot -173 graden C (gemiddeld; grote temperatuurvariaties dag en nacht)
Pluspunten: rijkdom aan grondstoffen, lage zwaartekracht, vacuüm, geologisch stabiel
Gevaren: kosmische straling, meteorieten, weinig zonne-energie, botontkalking door lage zwaartekracht
De omgeving
Ingeklemd tussen Mars en Jupiter is de planetoïdengordel een brede puinring bestaande uit haast ontelbaar veel brokken.
Foto van ruimtetelescoop Hubble van de dwergplaneet Ceres, het grootste object in de planetoïdengordel. Waar komt die merkwaardige witte vlek vandaan?
De grootste asteroïde, 1 Ceres, heeft een bolvorm en wordt daarom nu beschouwd als een dwergplaneet. De overige asteroïden, waarvan de grootste 2 Pallas, 4 Vesta en 10 Hygeia zijn, zijn te klein om tot een volmaakte bolvorm samen te trekken en hebben een onregelmatige vorm. Omdat de planetoïdengordel enorm groot is, bestaat deze voornamelijk uit eindeloos veel leegte waar de ruimterotsen doorheen zweven.
Hoe kom je er?
Het grootste probleem is het overwinnen van de zwaartekrachtspotentiaal van de aarde. In feite zijn de planetoïden met minder energie te bereiken vanaf de maan of Mars dan het kost om van de aarde naar de maan te gaan. De afstand is groot, waardoor robotverkenners jaren onderweg zijn. Als minder zuinig wordt omgesprongen met brandstof zijn binnen een tot twee jaar reizen de meeste locaties in de asteroïdengordel te bereiken.
Hoe bewoonbaar is de planetoïdengordel?
Een ruimtepak onder druk, bescherming tegen de felle zonnewind en kosmische straling zijn absoluut vereist. Zonder ruimtepak houdt een mens het ongeveer een minuut uit. Vermoed wordt dat op enkele van de grootste asteroïden grote hoeveelheden water en ijs voorkomen – volgens sommige optimisten is de hoeveelheid water op Ceres zelfs groter dan de zoetwatervoorraad op aarde. Helaas is de zwaartekracht op Ceres veel te laag.
De metaalasteroïde Kleopatra lijkt nog het meest op een hondenkluif. Ook dit kleinere zusje van Psyche is zeer rijk aan schaarse metalen.
Wat zijn de voordelen ?
De planetoïdengordel bevat naar we denken een grote hoeveelheid grondstoffen die met relatief weinig moeite zijn te winnen. De grootste metaalrijke asteroïde, de 200 km grote rots 16 Psyche, bestaat voor een groot deel uit puur ijzer en nikkel, klaar om te verwerken, in totaal 1.7×10^19 kg nikkelijzer. Dat is genoeg nikkel en ijzer om elke aardbewoner aan 2,4 miljoen ton metaal te helpen. Ter illustratie: Dat is meer metaal dan in twintig Nimitzklasse (de grootste ooit gebouwd) vliegdekschepen zit. En dan hebben we het nog niet eens over de grote hoeveelheden goud, rhodium en andere schaarse metalen waar nu ploeterende stakkers in het regenwoud riviertjes (en zichzelf) voor vergiftigen met dodelijk kwik. Kortom: één enkele winstgevende mining operation op Psyche en het is eindelijk afgelopen met de afschuwelijke burgeroorlog in Kongo, verwoestende dagmijnbouw in de VS en vergiftigde modderlawines in Hongarije.
De grote afstand tot de zon en de aarde maken het een minder geschikte plaats voor ruimtestations of ruimtekolonies – tenzij die worden aangedreven met kernenergie. Vermoedelijk is er ook zeer veel uranium en ander splijtbaar materiaal aanwezig op Psyche en soortgelijke planetoïden, dus dat is goed uitvoerbaar.
Gevaren in de planetoïdengordel
De planetoïdengordel is dicht bezaaid met ruimtepuin en kent geen beschermend magnetisch veld of atmosfeer. Gelukkig roteren vrijwel alle planetoïden in dezelfde richting om de zon waardoor het gevaar van micrometeorieten iets kleiner is dan anders. Micrometeorieten hebben een grotere bewegingsenergie dan kogels. Kent je ruimtepak of ruimtestation een lek en kan je dat niet dichten, dan ben je ten dode opgeschreven. Kortom: mijnstations kunnen maar beter beschikken over een stevige beschermlaag.
Hoe zou een kolonie op een asteroïde er uit zien?
Een asteroïde-mijnstation, volgens NASA
Door het vrijwel volledig ontbreken van een atmosfeer moeten kolonies op asteroïden luchtdicht afgesloten zijn en een dikke beschermlaag kennen tegen kosmische straling en micriometeorieten.
Het menselijk lichaam reageert slecht op lange periodes in een lage-zwaartekrachtsomgeving.
De goedkoopste oplossing is de tactiek van onze verre voorouders in de IJstijd te volgen: grotten bewonen. Het recept: hol een asteroïde helemaal uit (bijvoorbeeld ten behoeve van mijnbouw), stoffeer het ding knus met aarde, rivieren en meren, pomp er een zuurstofrijke atmosfeer in en laat het ding snel genoeg om zijn as tollen om kunstmatige zwaartekracht op te wekken. En oh ja, zorg voor voldoende verlichting. Een kunstzon in het nulzwaartekrachtsgebied in het midden, bijvoorbeeld, want van het magere zonnetje voorbij Mars word je niet bruin.
Tot we er in geslaagd zijn een planetoïde uit te hollen, zullen we genoegen moeten nemen met een krappe behuizing zo groot als een bouwkeet. Of de asteroïdengordel door robots laten ontginnen.
Een uitgeholde asteroïde. Met een dergelijk enorm ruimteschip zou je duizenden, zo niet tienduizenden jaren onderweg kunnen zijn naar een naburige ster. Over de energiekosten gaan we het niet hebben…
Hoe zijn planetoïden tot leefbare wereld om te bouwen?
Niet. De zwaartekracht zelfs van de grootste planetoïde Ceres is veel te laag en het zonlicht te zwak. De enige optie die enigszins in de buurt komt, is een planetoïde uithollen en rond laten tollen, zie voor.
De plannen zijn, dat kan je wel stellen, opmerkelijk. Kunstmatige zwaartekracht wordt in de plannen bijvoorbeeld opgewekt door de kolonisten ’s nachts te huisvesten in een enorm wiel dat in de dwergplaneet is ingegraven. Overdag kunnen de kolonisten hun ding doen in een enorme overdekte koepel – bijvoorbeeld schaduwminnende planten kweken bij een tiende van de aardse hoeveelheid zonlicht. De operatie moet worden bekostigd door stukken asteroïdeoppervlak bij opbod te verkopen. Het hele dwergplaneetje heeft een oppervlakte zo groot als Argentinië.
Einstein dacht met zijn EPR-gedachtenexperiment een vernietigende slag aan de kwantummechanica te hebben toegebracht. In plaats daarvan opende hij een natuurkundige doos van Pandora. Als twee kwantumdeeltjes met elkaar verstrengeld zijn, beïnvloedt een meting van het ene deeltje de uitkomst van een meting van het andere deeltje. Spookachtige werking op afstand dus. Ook al bevindt het ene deeltje zich in een ander melkwegstelsel of zelfs in de toekomst, de meting blijft altijd het andere deeltje beïnvloeden.
Onverklaarbaar en ten diepste verbonden met kwantumonzekerheid
Nog steeds is er geen goede verklaring voor dit fenomeen. Het is – met het meetprobleem, de vraag waarom de exacte uitkomst van een meting aan een kwantumdeeltje onvoorspelbaar is – de twee redenen dat er meerdere interpretaties van kwantummechanica bestaan.
Twee kwantumverstrengelde fotonen.
Een beschrijving bestaat al wel. Deeltjes – of groepen deeltjes – kunnen nul tot honderd procent met elkaar verstrengeld zijn. Hoe sterker de verstrengeling, hoe groter de overeenstemming als metingen op de deeltjes worden uitgevoerd.
In experimenten bleek tot nu toe dat de meetresultaten niet afwijken van de theoretisch voorspelde eigenschappen van kwantumverstrengelde systemen. De beschrijving klopt dus, maar de beschrijving is, vermoeden veel onderzoekers, verre van compleet. Wat is het dat de mate van verstrengeling bepaalt?
Kwantumcoherentie, de staat dat alle deeltjes in een systeem met elkaar verstrengeld zijn, is zeer uitzonderlijk. We kennen maar enkele macroscopische systemen die volledig kwantumverstrengeld zijn, bijvoorbeeld supervloeistoffen. In een supervloeistof (we kennen er maar twee: helium-4 en helium-3, enkele graden boven het absolute nulpunt) overlappen de waarschijnlijkheidsgolven van deeltjes (heliumatomen in dit geval) elkaar waardoor ze hun individuele identiteit verliezen en zich als één geheel gaan gedragen, ook op kwantumniveau. In alle andere systemen bestaat er geen massale kwantumverstrengeling.
Er moet dus een reden zijn dat deeltjes kwantummechanisch van elkaar gescheiden raken: kwantumdecoherentie. We weten dat het iets met entropie, wanorde dus, te maken moet hebben want grootschalige kwantumverstrengeling komt alleen voor in systemen vlak boven het absolute nulpunt en een meting betekent in feite dat een deeltje ‘entangled’ wordt met iets dat enorm groot is, m.a.w. iets dat een temperatuur kan hebben.
De meest logische interpretatie lijkt me persoonlijk dat de grote massa (in de betekenis van: het onzaglijk aantal deeltjes en dus kwantumtoestanden) van het kwantumsysteem van de waarnemer, zo geconfigureerd dat een exacte meting afgedwongen wordt, deze oplegt aan het fragiele kwantumsysteem dat gemeten wordt. Omdat het exacte aantal deeltjes in de waarnemer en de manier waarop ze kwantumverstrengeld zijn, uiteraard onbekend is (denk aan de vraag of het aantal moleculen in een liter water even of oneven is), is de uiteindelijke uitkomst van de meting dat ook en kan deze alleen als kans beschreven worden. Net zoals het aantal moleculen in een liter water 50% kans heeft even of oneven te zijn elke keer als je een nieuwe liter water pakt.
Onopgeloste kwestie: exacte mechanisme (mechanica) van kwantumverstrengeling
We kunnen exact beschrijven hoe deeltjes met elkaar verstrengeld zijn en hoe verstrengelde deeltjes zich gedragen. We weten echter niet, wat hetgeen is dat verstrengelde deeltjes met elkaar verstrengeld laat zijn, m.a.w. hun identiteit laat delen. Is identiteit iets dat ruimte en tijd overstijgt? Nieuwe experimenten en theoretische modellen wijzen hier op, nu zelfs deeltjes op lichtjaren afstand en gescheiden door de tijd met elkaar verstrengeld kunnen zijn.
Fysici over de hele wereld houden zich nu voornamelijk bezig met esoterische domeinen als de snaartheorie, waar enkele experimenteel niet aangetoonde veronderstellingen aan ten grondslag liggen. Dit terwijl een voor de hand liggend onderdeel van een natuurkundige basistheorie nog steeds niet ontraadseld is. Niet erg verstandig.
De toekomst is dichterbij dat veel mensen zich realiseren. Bijvoorbeeld de techniek om met robots gebouwen te construeren op gevaarlijke plaatsen, zoals een brug over een ravijn.
In samenwerking bouwen de robotjes complexe structuren. We hoeven dus geen bouwvakkers meer naar de maan te sturen.
Daniel Mellinger en zijn team van het GRASP-lab van de universiteit van Pennsylvania hebben een systeem ontwikkeld waarmee robots de bouw overnamen nadat mensen het ontwerp hebben aangeleverd.
Een algoritme bepaalt via welk systeem de robots hun ontwerp uitvoeren. De robots ‘overleggen’ met elkaar en kiezen het volgende onderdeel uit een lijst om te plaatsen.
Het team ontwikkelde ook een grijper om onderdelen op te kunnen pakken van de grond een een kliksysteem met magneten om ze op hun plaats te houden.
Het team wil in de toekomst de robots samen laten werken met grondrobots.
De robots kunnen doorgaan met bouwen tot hun batterijen uitgeput zijn of het bouwmateriaal op is. De insektachtige robots lijken een soort ‘emergent behaviour’ te tonen en lijken wat dat betreft wel wat op termieten of wespen die zeer grote structuren kunnen bouwen.
Moet FNV Bondgenoten zich zorgen maken? Een spectaculair gezicht is het in ieder geval wel en hernia’s behoren tot het verleden.
Hiermee komt het bouwen van ruimtestations op voor mensen onherbergzame plaatsen als bijvoorbeeld de maan of Mars wel een heel stuk dichterbij.
Stel je voor: bakstenen worden uit maanstof gebakken en vervolgens gestapeld door nijvere robotische werkmieren…
Een geliefd argument voor mensen die in een schepper geloven is aan vervanging toe.
Het blijkt dat de uitzettingssnelheid van het heelal niet optimaal is voor het ontstaan van intelligent leven. Als de kosmologische constante licht negatief was geweest, was het heelal gastvrijer geweest dan nu.
Van de drie mogelijke toekomsten van het heelal, instorting, langzamere uitzetting of een op hol geslagen uitzetting is de Big Rip, de derde optie, het waarschijnlijkst.
Volgens de laatste astronomische waarnemingen drijft het heelal steeds sneller uit elkaar. Dat is kosmologisch te beschrijven door een kosmologische constante labda ([latex]\Lambda[/latex]) in te voeren. Deze constante, ooit door Einstein de grootste blunder van zijn leven genoemd, nu een handig hulpmiddel om de steeds grotere afstand tussen big-bang theorie en waarneming te overbruggen. [latex]\Lambda[/latex] beschrijft de fractie waarmee de uitzettingssnelheid van het universum elke seconde groter wordt.
Dit getal [latex]\Lambda[/latex] is weliswaar erg klein, 10−35 s−2, maar omdat het om een versnelling gaat, een gestage toename van uitzettingssnelheid dus, betekent het dat de uitzettingssnelheid op een gegeven moment zo groot wordt dat zelfs atomen uit elkaar gerukt worden. We zullen dan misschien kunnen schuilen in zwarte gaten tot ook die de geest geven.
Erg gezond is het heelal in de verre toekomst dus niet. Ook nu leiden we een marginaal bestaan. Het blijkt uit berekeningen van Don Page, een theoretisch natuurkundige van de University of Alberta in Canada dat een licht negatieve kosmologische constante zelfs beter voor de kans dat zich melkwegstelsels (en dus leven) ontwikkelt uitpakt, dan een positieve constante zoals nu. Sterker nog: we zitten zelfs aan de uiterste grens voor leefbaarheid. Was de kosmologische constante ook maar iets groter geweest dan hadden zich uit de dunne slierten materie geen melkwegstelsels gevormd.
Toch is er ook goed nieuws voor universum-chauvinisten. De overige natuurconstanten, denk aan de sterkte van de elektromagnetische en zwaartekracht, blijken wel zeer nauwkeurig overeen te komen met de eisen die het leven aan de grootte stelt. Gelovige misantropen kunnen hieruit afleiden dat God een sadist is: hij heeft de constanten in dit heelal zo afgesteld dat het leven dat onvermijdelijk ontstaat, over een paar miljard jaar wreed uit elkaar wordt gerukt. Of dat God wil dat we een manier verzinnen om uit het universum te ontsnappen. Survival of the cleverest. Het heelal als kosmische IQ-test?
Of misschien vergissen de kosmologen zich en doen we hier aan smadelijke godslastering. Ze zaten er al vaker naast. Laten we dat laatste maar hopen…
Recent theoretisch onderzoek wijst er op dat het mogelijk is kwantumtoestanden door de tijd te transporteren. Is tijdreizen een stuk dichterbij gekomen? Vast staat in ieder geval dat op kwantumschaal ruimte en tijd minder absoluut zijn dan tot nu toe gedacht.
Kwantumverstrengeling
Kwantumverstrengeling (quantum entanglement) is het raadselachtigste kwantumverschijnsel. Het blijkt namelijk mogelijk twee of meer kwantumdeeltjes met elkaar te verstrengelen. Het gevolg: bij een meting gedragen ze zich alsof het om hetzelfde deeltje gaat. Dat wil zeggen: wordt van het ene deeltje bijvoorbeeld de spin (draairichting) gemeten, dan ligt die van het andere deeltje ook plotseling vast. Ook al bevindt zich dat deeltje aan de andere kant van het heelal. Wat de oorzaak is van het verschijnsel, weten natuurkundigen na tachtig jaar nog steeds niet. Wel is ondertussen na diverse experimenten komen vast te staan dat kwantumverstrengeling zoals voorspeld door de kwantummechanica inderdaad bestaat en zich precies zo gedraagt als voorspeld.
Kwantumverstrengeling tussen deeltjes gescheiden door afstand is reeds aangetoond en ook wiskundig goed beschreven. In een groot aantal proeven met fotonen en andere deeltjes is aangetoond dat metingen aan verstrengelde deeltjes inderdaad statistisch correleren, zelfs bij afstanden van honderden kilometers.
Met een nieuwe ontdekking door de fysisch theoretici S. Jay Olson en zijn collega Timothy C. Ralph van de universiteit van Queensland in Australië blijkt niet alleen kwantumteleportatie door de ruimte, maar ook door de tijd mogelijk.
Zouden we onszelf naar de toekomst kunnen sturen via kwantumteleportatie?
Met kwantumteleportatie bedoelen fysici dat ze de kwantumtoestand van het ene deeltje overbrengen, ’teleporteren’ naar een ander deeltje. Het gevolg is dat het andere deeltje de identiteit overneemt van het ene deeltje. Als deeltje A verstrengeld is met deeltje B, en de kwantumtoestand van deeltje A wordt overgebracht op deeltje C, dan is plotseling niet meer deeltje A, maar deeltje C verstrengeld met B. M.a.w. als iets aan deeltje C gemeten wordt, verandert er iets aan deeltje B (waar dat eerst niet zo was).
Tot nu toe is dat alleen gelukt door de ruimte. Olsen en Ralph hebben nu aangetoond dat het ook door de tijd kan, met andere woorden een kwantumtoestand kan van het verleden naar de toekomst worden geteleporteerd. Dit moet op een exact tijdstip, bijvoorbeeld het deeltje kwart voor twaalf en het geteleporteerde deeltje kwart over twaalf. De geteleporteerde informatie reist op klassieke wijze met bijvoorbeeld een foton naar het deeltje in de toekomst, waarop de kwantumtoestand wordt overgebracht.
Praktische toepassingen
Als de overbrengende deeltjes stilgezet kunnen worden of gekloond, komt de fameuze Star Trek replicator (producten met een druk op de knop maken) binnen bereik. Je hoeft alleen maar een kwantumkopie op te slaan van he object dat je wilt klonen. Wel moeten er uiteraard host-deeltjes beschikbaar zijn om de kwantumtoestanden op over te brengen. Je kan op die manier ook kwantummechanisch gesproken exacte kopieën maken van objecten (gesteld dat je hun kwantumtoestand exact deeltje voor deeltje zou kunnen aftappen en opslaan).
ArXivBlog is voorzichtiger en veronderstelt dat misschien het langer bewaren van instabiele deeltjes op die manier mogelijk is. Inderdaad is uit eerder onderzoek bekend dat door voortdurende metingen zeer snel uiteenvallende deeltjes langer in leven blijven. Voorlopig zal het hier ook wel bij blijven. De techniek om de afgrijselijk grote hoeveelheid informatie die alle kwantumtoestanden van zelfs een klein voorwerp voorstellen op te slaan is er nog lang niet.
Volgens recent wetenschappelijk onderzoek groeien embryo’s misvormd op als gevolg van te lage zwaartekracht. Door ruimtevaarthaters wordt dit dan ook dankbaar aangegrepen om ruimtekolonisatie als “onmogelijk” te betitelen. Is die conclusie wel terecht?
Het onderzoek
Ontwikkelingsbiologe Tamara Franz-Odendaal en haar promotiestudente Sara Edsall, beiden werkzaam aan de Mount Saint Vincent University in Halifax, Canada verrichtten experimenten waarin werd onderzocht wat de gevolgen van microzwaartekracht op de ontwikkeling van embryo’s van de zebravis waren. In het experiment werden de embryo’s tussen de 10-14 en 12-96 uur na bevruchting in een draaiende bioreactor blootgesteld aan microzwaartekracht.
Een grote, langzaam ronddraaiende ruimtekolonie lijkt in veel opzichten, ook wat zwaartekracht betreft, op de aarde.
Uit het onderzoek bleek dat de zebravisjes, eenmaal volwassen geworden, schedeldefecten vertoonden. Ze veronderstelt dat de defecten zich elke generatie zullen ophopen – een interessant Lamarckiaans standpunt – en dat daardoor in volgende generaties de defecten zich zullen ontwikkelen tot pathogene grootte.
Ook in andere onderzoeken zijn verstoringen in vruchtbaarheid (degeneratie van de eierstokken bij vrouwelijke muizen) en de embryonale ontwikkeling (ook zebravissen; de vissen stierven twee weken daarna) als gevolg van microzwaartekracht gevonden. Japans onderzoek in de ruimte wees echter uit dat de Japanse medakavis wel degelijk in staat is zich onder gewichtloze omstandigheden voort te planten. De genetische diversiteit bij vissen is enorm (in feite zijn amfibieën, reptielen, vogels en zoogdieren alle vissen) dus de vraag is in hoeverre je dit onderzoek mag generaliseren, maar zeker is wel dat microzwaartekracht gevolgen heeft op de embryonale ontwikkeling en vruchtbaarheid.
Implicaties voor ruimtekolonisatie
Willen we een permanente aanwezigheid van de mens op plaatsen buiten de aarde, dan is het noodzakelijk om kinderen geboren te laten worden in de ruimte. In principe is er ver verwijderd van zwaartekrachtsbronnen (zoals in de interplanetaire ruimte) nauwelijks of geen zwaartekracht. Echter: kunstmatige zwaartekracht is wel op te wekken.
Kunstmatige zwaartekracht
Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie is het onmogelijk door een experiment onderscheid te maken tussen een versnellend inertiaalframe en zwaartekracht. Tot op heden zijn (zelfs na meting met de meest gevoelige meetapparatuur) geen metingen bekend waarvan de uitkomst in strijd is met de speciale of algemene relativiteitstheorie. Met andere woorden: er is geen verschil te merken tussen door versnelling opgewekte g-krachten en door veel massa veroorzaakte g-krachten.
Dat betekent, dat microzwaartekracht niet het probleem is dat het lijkt. Laat een ruimteschip of ruimtekolonie bijvoorbeeld langzaam om zijn as draaien en de bewoners worden door de middelpuntvliedende pseudokracht tegen de wand gedrukt. Voor een ruimtekoloniste (en het embryo in haar buik) zal het voelen alsof zij op de aarde staat. Wel kunnen zwangere vrouwen waarschijnlijk beter niet te lang blootgesteld worden aan lage g-krachten.
Het is nog steeds niet zeker of de aardachtige exoplaneet Gliese 581 g wel bestaat, maar dat heeft astronomen, die over het algemeen dol zijn op science fiction, er uiteraard niet van weerhouden om te speculeren hoe de hypothetische planeet twintig lichtjaar ver er uit zou zien: als een kosmische oogbal.
Gliese 581 zelf is een rode dwergster. Dat betekent dat deze ster veel minder licht geeft dan de zon en dus dat bewoonbare planeten veel dichter bij de ster moeten staan dan de aarde bij de zon, in het geval van Gliese 581 g 22 miljoen kilometer (ter vergelijking: de aarde staat op 150 miljoen kilometer van de zon).
Oogbal aarde. Een ronde oceaan omgeven door dikke ijsmuren. Misschien ziet Gliese 581g er zo uit.
In het eerste scenario gaat astronoom/meteoroloog Raymond Pierrehumbert van de universiteit van Chicago uit van een stikstofatmosfeer zonder kooldioxide. In dit geval zal het ijs op het warmste punt smelten en kan zich eenvoudig leven ontwikkelen in de ondergrond.
Uit zijn berekeningen voor het tweede scenario volgt dat als de atmosfeer van Gliese 581g voor twintig procent uit het broeikasgas kooldioxide bestaat, de planeet voor het grootste deel uit ijs zal bestaan met een grote ronde oceaan met een doorsnede van ongeveer een kwart planeetomtrek recht tegenover de zon. Kortom: een oogbol met een blauwe iris.De odeaan strekt zich onder de ijskap die de rest van de planeet overdekt, uit over de rest van de planeet.
Intelligente wezens die een eiland in deze oceaan bewonen zullen hun oceaan waarschijnlijk als het centrum van het universum beschouwen. Immers: hun wereld wordt afgesloten door enorme ijsmuren waarachter onherbergzame duistere ijsvlakten schuilgaan. Ongeveer zoals de Flat Earth Society de aarde ziet.
Uiteraard kan de planeet zich ook ontwikkelen tot een super-Venus. Dit is het geval bij grote hoeveelheden CO2. In dat geval zou het broeikaseffect totaal uit de hand lopen en zou de planeet, net als bij Venus gebeurd is, droogkoken.
Het Pleistoceen, de periode van ijstijden, begon ongeveer twee miljoen jaar geleden. Rond die tijd vond er maar één echt belangrijke geologische verandering plaats: de landbrug tussen Noord- en Zuid-Amerika werd gesloten. Als gevolg hiervan veranderde het patroon van oceaanstromen radicaal. Zo werd de Golfstroom veel sterker en werden de Caraïbische Zee en de Stille Oceaan van elkaar gescheiden. Aan- en uitschakelen van zeestromen zet dus ijstijden in gang. En wat dat betreft is er vervelend nieuws…
De vorming van de landbrug tussen Zuid- en Noord-Amerika betekende uiteindelijk het uitsterven van de schrikvogel.
De landbrug vormt zich
De flora en fauna in Zuid-Amerika week voor tientallen miljoenen jaren (net als die van Australië) sterk af van die van de rest van de wereld. Drie meter grote lopende schrikvogels beheersten het land.
Buideldieren kwamen veel voor en niet voor niets is er een apart florarijk (Neotropis) voor de unieke diersoorten en vegetatie in Zuid-Amerika, denk aan cactusachtigen. Een groot deel van onze landbouwgewassen, denk aan aardappels, maïs, cacao en tomaten, komt uit Neotropis.
Toen, enkele miljoenen jaren geleden, stierven de unieke Zuid-Amerikaanse diersoorten zoals de reuzenluiaard voor een groot deel uit. Ze werden vervangen door de uit Noord-Amerika afkomstige lama’s en alpaca’s.
De reden: de vorming van de landbrug tussen Noord- en Zuid-Amerika. De schrikvogels stierven geheel uit toen Noord-Amerikaanse katachtigen en andere rovers korte metten maakten met hun prooien. Ook met de meeste van deze prooidieren, zoals het reuzengordeldier Glyptodon en bijna alle buideldieren liep het slecht af. De opossum, de Noord-Amerikaanse buidelrat, slaagde er als een van de zeer weinige Zuid-Amerikaanse buideldiersoorten in te overleven en zelfs naar Noord-Amerika over te steken.
Ook veel tropische Zuid-Amerikaanse vogelsoorten, plantensoorten en apen maakten de oversteek. Vandaar dat Mexico en Centraal-Amerika, alhoewel ze geologisch bij Noord-Amerika horen, door de grote overeenkomst in soorten toch bij Neotropis worden gerekend.
De woestijngordel in het zuiden van de Verenigde Staten en het noorden van Mexico vormt een effectieve barrière voor de meeste soorten, waardoor er een duidleijek scheidslijn tussen de holarctische en neotropische flora en fauna bleef bestaan.
Tijdens de laatste ijstijd was het beige gedeelte bedekt met ijs. Het roze gedeelte was onherbergzame toendra, marineblauw is poolwoestijn. Alleen Spanje, Iralië en Griekenland waren leefbaar. Kortom: vergeet die opwarming, een ijstijd is veel vervelender.
Tijdperk van ijstijden
De gevolgen waren groter dan alleen op planten en dieren. Het eerdere circulatiepatroon, waarbij een sterke zeestroom tussen Noord- en Zuid- Amerika vloeide, werd compleet verstoord. Waar eerst de Pacifische Oceaan het water voor de Golfstroom leverde werd dit nu de Caraïbische Zee. Als gevolg hiervan werd deze zeestroming veel zwakker en instabieler. Door de zwakkere toevoer van warm, zout water kon de Noordelijke IJszee dichtvriezen en begon het Pleistoceen, het tijdperk van de ijstijden (geologen noemen het Pleistoceen zelf een ijstijd en de perioden in het Pleistoceen dat er een grote ijskap lag, glacialen). Volgens veel geologen leven we nu in het Holoceen maar in feite is dit onzin. Wat geologen het Holoceen noemen is in feite een interglaciaal (onderbreking van de ijstijd) van het Pleistoceen en we zijn in feite al over tijd…
Tijdens een glaciaal wordt half Europa en een groot deel van Noord-Amerika bedekt met een honderden meters dikke ijslaag. De gletsjers reikten tot Nederland. Een nieuwe ijstijd betekent dat bijna heel Europa, geheel Canada, een groot deel van de VS en China en heel Rusland onbewoonbaar worden. Naar het zuiden kunnen we niet, want ook de Sahara wordt groter. We kunnen er dus maar beter snel achter komen wat glacialen veroorzaakt…
De grote schakelaar
Klimatologen vliegen elkaar nog steeds in de haren over de vraag wat werkelijk glacialen veroorzaakt. Iets moet er voor zorgen dat een groot deel van het noordelijk halfrond gedurende vele tienduizenden jaren bedekt werd met een enorme ijskap en iets anders moet vervolgens deze laten smelten. Een geliefde theorie was tot voor kort de Milankoviç cyclus: door afwijkingen in de baan van de aarde zou het delicate patroon van zee- en luchtstromen een schop hebben gekregen waardoor de afkoeling of opwarming in gang werd gezet. Uiteraard wordt ook het broeikaseffect als oorzaak uit de kast gehaald.
De laatste jaren worden steeds meer problemen met deze theorie gevonden. De veranderingen in zonnestraling zijn in feite te klein om te verklaren hoe de enorme ijsmassa’s zich hebben kunnen vormen of just worden afgebroken. Duidelijk is in ieder geval dat een verandering in het circulatiepatroon van de enorme zeestromen een centrale rol speelt. Komt bijvoorbeeld de Golfstroom stil te liggen zoals tijdens het laatste glaciaal, dan kunnen we maar beter een dikke bontjas kopen. Volgens sommige onderzoekers versterken we nu de feedbackloop: door de opwarming smelten de Groenlandse ijskappen waardoor de Golfstroom wordt stilgelegd. De grote Siberische rivieren en het smeltende ijs laten het zoutgehalte in de Noordelijke IJszee dalen. De temperatuur daalt en de hele IJszee vriest weer dicht. De lage temperaturen in Europa tijdens koudere perioden in het verleden zouden hier een gevolg van zijn. De koude in december lag overigens aan een ander luchtcirculatiepatroon. Anno nu groeit overigens de scepsis.
Wie wil weten wat een plotseling invallend glaciaal betekent, kan ondertussen onderstaande documentaire bekijken.
Er zijn al meerdere ruimtestations gebouwd: Skylab, Mir en nu het internationale ruimtestation ISS. Al deze ruimtestations werden bevoorraad vanaf en bevonden zich in een omloopbaan om de aarde. Er zijn interessantere plekken voor ruimtestations: de Lagrangepunten. En de ruimte is letterlijk onbegrensd. Een overzicht van voor- en nadelen van het koloniseren van outer space.
De Lagrangepunten rond bijvoorbeeld de aarde. Het L1 punt ligt tussen de aarde en de zon. OP het L2 punt is de aantrekkingskracht van aarde en zon even groot. L4 en L5 zijn plekken waar ruimtepuin zich ophoopt.
In plaats van een bestaand hemellichaam te kiezen kunnen ruimtekolonisten hun eigen kolonie zwevend in de ruimte bouwen. Dat heeft verschillende voordelen.
De plaats is vrij te kiezen.
Ook is de kolonie makkelijk te verplaatsen als daar reden voor is.
Het kost (afgezien van de omloopbaan van het ruimtestation bereiken) weinig brandstof om van of naar een ruimtestation te reizen, omdat dit nauwelijks zwaartekracht bezit.
De zwaartekracht is vrijwel nul, wat ideaal is om bepaalde gevoelige kristallisatieprocessen en andere microzwaartekrachtstechnieken uit te kunnen voeren. Gevaarlijke experimenten en productieprocessen zijn in de lege ruimte aanmerkelijk veiliger uit te voeren dan op aarde.
Vooral de Lagrangepunten zijn interessant. Dit zijn punten waar de zwaartekracht objecten in evenwicht houdt.
Nadeel is zoals overal in de interplanetaire ruimte dat er geen bescherming is tegen meteorieten, zonnewind, zonnestormen, kosmische straling en dat grondstoffen van miljoenen kilometers afstand moeten worden gehaald.
Voor een langer verblijf moeten ruimtestations dan ook goed worden afgeschermd tegen kosmische straling en (micro) meteorieten.
Lagrangepunten factsheet
Grootte: wiskundig punt (in de praktijk duizenden kilometers)
Zwaartekracht: 0
Atmosfeer: geen; zonnewind
Temperatuur: duizenden graden (vlakbij zon) tot enkele graden boven het absolute nulpunt (Oortwolk en Kuipergordel)
Pluspunten: nabijhejd aarde, lage zwaartekracht, vacuüm, constructievrijheid, asteroïden
Gevaren: kosmische straling, meteorieten, grote temperatuursverschillen
De omgeving
Elk hemellichaam dat rond een ander hemellichaam draait kent vijf Lagrangepunten: punten waar de zwaartekracht van bijvoorbeeld aarde en zon elkaar opheffen. Punt L1 is het punt tussen aarde en zon waar de aantrekkkingskracht van aarde en zon elkaar in evenwicht houden. L2 is het punt achter de aarde waar de zwaartekracht van zon en aarde even sterk is. Hier zal de NASA-ruimtetelescoop James Webb komen te hangen. L3 ligt precies tegenover de aarde, de plek dus waar de aarde zich een half jaar geleden bevond.
Als de aardscheerder Eros (34 x 11 x 11 km) op aarde terecht komt, is het einde oefening. We kunnen deze lastige ruimteaardappel beter uithollen en ombouwen tot knusse ruimtekolonie.
L4 en L5 liggen eveneens op de omloopbaan van de aarde rond de zon (op een zesde omloopbaan voor en na de aarde). Dit zijn punten waar zich ruimtepuin ophoopt: in het geval van de aarde ruimtestof. Jupiter en Neptunus, bijvoorbeeld, houden er indrukwekkende asteroïdenverzamelingen in hun L4 en L5 punten op na. Alleen de L4 en L5 punten zijn stabiel: materie in de omloopbaan van de aarde wordt er naar toe getrokken. Een ruimtestation hier blijft in principe tot het einde van het zonnestelsel hangen. De andere Lagrangepunten zijn instabiel en vereisen wel voortdurende, minieme bijsturing, alhoewel een quasiperiodieke, sikkelvormige halo omloopbaan in de buurt van een Lagrangepunt mogelijk is.
Een ruimtestation kan ook in een baan om een hemellichaam draaien of zelfstandig rond de zon draaien. Alle drie ruimtestations die ooit gebouwd zijn draaiden (ISS draait nog steeds) in een omloopbaan om de aarde op enkele honderden kilometers hoogte. Hier beschermt het aardmagnetisch veld de astronauten nog.
Hoe kom je er?
De Lagrangepunten rond de aarde liggen binnen het bereik van bestaande raketten. De punten voor en achter de aarde zijn binnen enkele dagen te bereiken, de punten op een zesde omloopbaan afstand van de aarde in enkele maanden. Het L3 punt vergt een langere reis. De L3, L4 en L5 punten vragen vanaf de aarde weinig brandstof om te bereiken omdat ze zich in de omloopbaan van de aarde bevinden.
Hoe bewoonbaar zijn de Lagrangepunten?
Een ruimtekolonie volgens NASA. De enorme ramen zorgen voor zonlicht.
Een ruimtepak onder druk, bescherming tegen de felle zonnewind en kosmische straling zijn absoluut vereiste. Zonder ruimtepak houdt een mens het ongeveer een minuut uit in de ruimte. Een ruimtebasis zal voorzien moeten zijn van een stevige beschermlaag om kosmische straling en micrometeorieten af te weren. Grotere meteorietfragmenten moeten door bijvoorbeeld een laserafweersysteem op tijd worden afgeweerd. Een betrouwbaarder, maar duurder alternatief is een metersdikke beschermlaag van waterijs. Om kunstmatige zwaartekracht op te wekken zal het ruimtestation moeten roteren. Dit voorkomt dat de bewoners zullen gaan lijden aan botontkalking en spierdystrofie.
Wat zijn de voordelen ?
Voor industriële productie zijn de Lagrangepunten ideaal: lage zwaartekracht, vacuüm en geen klagende omwonenden. Ook voor mensenschuwen, onwettige activiteiten en sektes is deze locatie ideaal. Met grote zonnepanelen is in principe bijna oneindig veel energie op te wekken. Bij sommige ontwerpen wordt energie opgewekt uit elektrisch geladen deeltjes uit de zonnewind.
Gevaren op de Lagrangepunten
De ruimte kent geen beschermend magnetisch veld of atmosfeer. Zelfs het L2-punt achter de aarde is te ver om de zon helemaal af te dekken, dus zonnewind en zonnestormen zijn een probleem. Ruimtestations op enkele honderden kilometers hoogte boven de aarde worden nog beschermd door het aardmagnetisch veld. Micrometeorieten hebben een grotere bewegingsenergie dan kogels. Kent je ruimtepak of ruimtestation een lek en kan je dat niet dichten, dan ben je ten dode opgeschreven.
Hoe zou een kolonie in de buurt van de Lagrangepunten er uit zien?
De lanceerkosten vanaf de aarde zijn zeer hoog. Het goedkoopste is daarom om zoveel mogelijk gebruik te maken van materiaal van naburige asteroïden, zoals de gevaarlijke aardscheerders: asteroiden met een onregelmatige baan die de aarde kunnen treffen. Sommige astronomen hebben voorgesteld om een complete asteroïde (de aardscheerder Eros zou erg geschikt zijn) uit te hollen, vol te pompen met lucht en tot ruimtestation om te bouwen. Om voldoende kosmische straling tegen te houden moeten de wanden van de ruimtebasis enkele meters dik zijn (of de basis ondergronds worden aangelegd). De ruimtebasis moet langzaam rondwentelen zodat de bewoners door de middelpuntvliedende kracht tegen de buitenwand worden gedrukt.
Hoe zijn de Lagrangepunten tot leefbare wereld om te bouwen?
De enige praktische oplossing is een ruimtestation te bouwen en dat volpompen met een adembare atmosfeer. Er is geen lichaam met voldoende zwaartekracht om ook maar enige atmosfeer vast te houden.
De zeer fantasierijke SF-schrijver Larry Niven schreef zijn beroemde Ringwereldromans over een enorme ring, op de omloopbaan van de aarde bijvoorbeeld, gebouwd door een ras van aliens, die ronddraaide, een kunstmatige zwaartekracht opwekte en zo de lucht tegen hoge opstaande muren drukte. We kennen op dit moment geen materiaal dat sterk genoeg is om de krachten die daar voor nodig zijn te weerstaan. Ook is er in het hele zonnestelsel onvoldoende materiaal, of we moeten Jupiter en een deel van de zon uit elkaar slopen. Sorry, Larry.
Jammer. De bewoonbare oppervlakte zou wel enorm zijn, bij een breedte van 20.000 km gelijk aan tien biljard keer Nederland (dat is een één met zestien nullen er achter).
Zo zou Ringwereld er uit zien: een ring die de hele omloopbaan van de aarde omspant, miljarden keer de oppervlakte van de aarde.
