De ESA-missie Don Quichote probeert juist deze vraag te beantwoorden. Een asteroïde was verantwoordelijk voor het uitsterven van de dino’s. Stel dat astronomen ooit zien dat een asteroïde deze kant op komt, dan zal de wereld snel moeten beslissen wat we moeten doen om dit dodelijke projectiel te stoppen voor het te laat is. Een mogelijke oplossing is de ruimterots uit zijn koers te meppen. Dat is niet zo eenvoudig als het klinkt. Zo moeten we weten hoe groot de inslag moet zijn en waar (en wanneer) precies deze moet plaatsvinden.
Don Quichote: een gevecht tegen ruimtekeien
In 2002 startte de ESA een programma genaamd Don Quijote om uit te zoeken hoe een dergelijke ingreep het beste plaats kan vinden. Het plan: de missie stuurt twee ruimtetuigen richting een near Earth asteroïde; één om er tegen aan te laten beuken en een andere om op veilige afstand waar te nemen wat er precies gebeurt boven de inslagkrater. Het doel van de missie is de baan van de asteroïde met meer dan 100 meter te veranderen en de verandering nauwkeuriger dan 1 procent te meten.
De Don Quichote missie moet bestuderen hoe realistisch het is om te proberen een asteroïde uit zijn baan te stoten voordat de aarde wordt geraakt.
Daarvoor moeten we natuurlijk wel precies weten wat voor uiteindelijke gevolgen deze inslag zal hebben, zodat we de meetgegevens kunnen gebruiken voor een nauwkeurige voorspelling voor een andere operatie. Astrofysicus Stephen Wolters van de Engelse Open Universiteit en enige collega’s hebben nu een nieuwe analyse van de missie gepubliceerd. Volgens hen is het meten van de verandering in de baan niet genoeg. Het waarnemende ruimtetuig moet ook de inslag in detail waarnemen, de grootte van de vrijkomende korrels vaststellen en ook de massa en snelheidsverdeling van de bij de inslag vrijkomende fragmenten vaststellen.
Alleen met deze informatie bij de hand zal het mogelijk zijn uit te zoeken hoe de impuls van het inslaande projectiel op de asteroïde wordt overgebracht. Uiteraard verandert dit de missie behoorlijk sterk. Er zijn veel meer apparaten nodig aan boord. Er moet een radiotransmitter toe worden gevoegd zodat door het team op aarde de exacte afstand gemeten kan worden. Ook moeten gevoelige camera’s aan boord gebracht worden, zodat het ruimtevaartuig de schade exact kan registeren en moeten de vrijkomende gaswolken met een spectrometer worden geanalyseerd, zodat de minerale samenstelling van de asteroïde bekend wordt.
Thermische camera’s zijn ook noodzakelijk. Zij registreren namelijk elke verandering in temperatuur. Belangrijk, want zelfs de straling die een asteroïde uitzendt, heeft invloed op de baan. Uitgezonden fotonen dragen namelijk impuls over op de asteroïde. Als de asteroïde aan alle kanten evenveel straalt, is het netto-effect nul. Als de asteroïde in sommige richtingen meer straalt dan andere, zal deze kracht de asteroïde langzaam in een bepaalde richting duwen.
Yarkovski-effect
Deze kracht, het Yarkovski-effect, kan bepalen of de asteroïde al dan niet de aarde raakt. Deze waarde kennen is daarmee cruciaal, zeker als de impactor de asteroïde ook anders laat roteren. Al deze verbeteringen maken Don Quijote een betere, maar ook duurdere missie. Zal ESA deze duurdere missie nog willen betalen? Per slot van rekening is een meteorietinslag een globaal probleem. In feite is deze missie een vorm van ontwikkelingshulp. Misschien kan er op zogenaamde “vredesmissies” in Afghanistan of op ontwikkelingshulp bezuinigd worden. Deze uitgave is veel nuttiger.
Een thermofotovoltaïsche cel werkt puur op warmte, waardoor elektriciteit wordt opgewekt zonder dat er zonlicht bij betrokken is. Hoewel het principe dat wordt gebruikt – het oppervlaktemateriaal zo aanpassen dat alleen bepaalde golflengtes straling worden uitgezonden – niet nieuw is, is dit systeem veel efficiënter dan vorige incarnaties. De opvolger voor de brandstofcel?
In het kort
Het geheim van het systeem: een materiaal met ontelbare gaatjes op nanoschaal (tientallen tot honderden atomen breed dus) op het oppervlak. Als het materiaal warmte absorbeert van welke bron dan ook – de zon, fossiele brandstof, radioisotoop of een andere energiebron – straalt het oppervlak vooral energie uit in de golflengtes die de kuiltjes toelaten.
Onderzoekers van het MIT zijn er op die manier in geslaagd om een krachtcel die werkt op butaan te bouwen. Deze krachtcel gaat drie keer langer mee dan een even zware lithium-ion batterij; het apparaatje kan direct worden “opgeladen” (door er een nieuw brandstoftankje in te doen). Een ander apparaat, waarbij de energie wordt geleverd door een radioactieve stof, kan dertig jaar achter elkaar energie blijven leveren – een ideale krachtbron dus voor ruimtevaartuigen die onderweg zijn naar de donkere, koude buitenste regionen van het zonnestelsel.
Zo werkt een thermofotovoltaïsche cel. Warmte wordt omgezet in infraroodstraling, die wordt omgezet in elektriciteit. Bron: aangepast van origineel
Verliezen bij warmteomzetting kost heel veel energie
Ongeveer 92% van al ons energieverbruik houdt op de een of andere manier omzetting van warmte in elektriciteit of voortbeweging in. Kolen- en gascentrales, zelfs kerncentrales werken zo. Ook onze auto’s werken met een verbrandingsmotor waarbij het hete verbrandingsgas uitzet en de motor aandrijft.
Erg efficiënt gaat dat niet. Alleen de warmte die vrijkomt door temperatuursverschillen is af te tappen als vrije energie. Je bent dan namelijk gebonden aan de beperkingen van de thermodynamica, waardoor zelfs bij een volmaakte generator maar een beperkt deel van de energie in elektriciteit is om te zetten. Kortom: zouden we een andere manier hebben om warmte te oogsten, dan zou dit wel eens heel veel vrije energie kunnen opleveren. Vooral als het op klein schaal kan, want vooral kleine omzetters gaan erg spilzuchtig te werk.
Zonnepaneel op warmte
Thermofotovoltaïsche cellen, zonnecellen die werken bij op infrarood (warmtestraling) in plaats van licht, bestaan al een halve eeuw. Een brandend stuk hout, bijvoorbeeld, verhit een materiaal, de zogeheten thermische emitter. Dit roodgloeiende materiaal straalt warmte en licht op de zonnecel, die elektriciteit levert. Uiteraard bevat het roodgloeiende licht veel meer rood licht en warmtestraling dan zonlicht en er is dan ook een speciaal type zonnepaneel voor nodig (dat de zwakkere fotonen van infraroodstraling kan vangen) om dit om te zetten in elektriciteit. Desondanks wordt nog steeds veel warmtestraling niet omgezet waardoor de efficiëntie laag blijft.
Dit vloeiende spectrum is van een zwarte straler. Door dit spectrum te veranderen in een paar pieken, worden zonnecellen veel efficiënter, want die hoeven alleen de pieken te kunnen vangen. Bron: User:Darth Kule op Wikimedia Commons, public domain
Het geheim: laat het voorwerp alleen bepaalde golflengtes uitzenden
Een volledig zwart voorwerp gedraagt zich qua straling precies volgens het boekje, dat wil zeggen: volgens de stralingswet van Wien en Planck. Hoe heter het voorwerp, hoe meer en hoe energierijker fotonen het uitzendt. De straling komt in een vloeiend spectrum vrij. Natuurlijke stralingsbronnen, van de zon tot de mens, gedragen zich doorgaans als deze zogeheten zwarte stralers.
Het zou uiteraard handig zijn een stralingsbron te hebben die alleen golflengtes uitzendt die de zonnecel kan verwerken. Dat zou de zonnecel veel efficiënter maken.Dus bijvoorbeeld: een stuk gloeiend metaal dat alleen groen opgloeit. Een zonnecel die extreem gevoelig is voor groen licht zou dan een enorm hoog rendement kunnen behalen, zonder dat je je hoofd hoeft te breken over manieren om andere golflengtes te vangen, zoals zonnecelmakers nu moeten doen.
Het fundamentele probleem bij zonnecellen
In een zonnecel krijgt een elektron een oplawaai door een foton, maakt een sprong en vloeit dan weer terug terwijl het zijn energie afgeeft. Is het foton te zwak, dan kan het elektron niet over de barrière springen. Is het foton te sterk, dan springt het elektron wel, maar de extra energie van het foton gaat verloren. Beide effecten maken efficiënte zonnepanelen maken zo ingewikkeld.
Maar hoe vind je een dergelijk materiaal? Het antwoord: maak een foto-aktief kristal door het oppervlak zo te bewerken (bijvoorbeeld met zeer kleine putjes of richels) dat licht op een heel andere manier door het voorwerp beweegt.
En dat is wat het team deed. Ze namen een stuk wolfraam – dat is een metaal met een extreem hoog smeltpunt (3410 graden), daarom gebruiken ze het voor gloeidraadjes in een gloeilamp – en bedekten het oppervlak met miljarden kleine putjes. Als het stuk bewerkte wolfraam heet wordt, geeft het helder licht dat sterk afwijkt van het emissiespectrum van een zwart lichaam. De reden: de putjes dwingen fotonen als het ware een bepaalde golflengte te krijgen. Andere golflengtes passen niet in de putjes.
Elektriciteitscentrale zo groot als een knoop
De knoopvormige micro-energiecentrale gebruikt koolwaterstoffen als propaan en butaan (kampeerders welbekend als camping gas). Het ding staat ondertussen bekend als een micro-TPV power generator. De verbrandende koolwaterstoffen verhitten het wolfraam dat begint te gloeien in golflengtes, waar het zonnepaneel op berekend is. Per gewichtseenheid kan er drie keer zoveel elektriciteit uit worden geperst als uit een lithium-ion batterij. Ook gaat het opladen uiteraard erg makkelijk en snel: simpelweg een tankje verwisselen. Ideaal voor het leger. Zo kan de democratie in bijvoorbeeld het olierijke Libië weer worden ‘bevorderd’, want een zonnepaneeltje uitrollen schiet niet echt op als je met je radiozender snel wilt doorgeven waar bommenwerpers hun eitjes moeten leggen.
Ook voor burgers is het natuurlijk erg makkelijk je laptop of mobieltje maar een keer per week op te hoeven laden.
Of – het echte werk – bekleed je allesbrander met dit spul. Zo krijg je pas echt een hoge-rendementsketel. De grap is dat er geen speciale brandstof nodig is, alles wat maar kan branden en de brander niet verstopt kan er in.Volgens de bedenkers zijn er heel veel toepassingen van deze techniek mogelijk. Denk aan hybride auto’s. Wat zijn jullie ideeën?
Als een draaiende lasergyroscoop in de buurt van een supergekoelde draaiende ring wordt geplaatst, gaat de gyroscoop een beetje in dezelfde richting als de ring versnellen. Wetenschappers weten niet waarom. Dat wil zeggen: tot nu. Met ingrijpende gevolgen. Als McCulloch gelijk heeft, is het mogelijk massa minder traag te maken en zat Einstein er naast. En hebben we mogelijk een manier gevonden om naar de sterren te reizen.
Raadselachtige ontdekking
Het Tajmar-effect. Een gyroscoop 'sleept' een supergeleidende schijf mee
De onverklaarbare versnelling werd in 2007 ontdekt door Martin Tajmar, die op dat moment werkte aan de vakgroep Ruimtevaarttechnologie van het Oostenrijkse Technisch Instituut in Seibersdorf. Tot dusver is het Tajmar effect alleen in dit ene laboratorium geobserveerd, wat het wetenschappelijk gezien verdacht maakt. Maar toch. Sommige wetenschappers zijn sindsdien druk op zoek naar een verklaring voor dit raadselachtige effect.
Hoe werkt een lasergyroscoop?
In een recente studie heeft Michael McCulloch van de Engelse universiteit van Plymouth een mogelijke verklaring gevonden. Hiervoor nam hij een diepe duik in de rijkgevulde natuurkundige schatkist van contra-intuïtieve verschijnselen.
Hij begint met een gedetailleerde analyse van wat een lasergyroscoop eigenlijk precies doet. Lasergyroscopen sturen licht in twee richtingen door een ring. Als de ring sneller of langzamer gaat draaien, veranderen de interferentiepatronen van het licht in de ring. Daarvoor hoeft er maar een verschuiving van enkele nanometers – dat is misschien vijftig atoombreedtes – op te treden. Daardoor zijn lasergyroscopen extreem nauwkeurig.
Trage massa vliegwiel vermindert
McCulloch denkt dat de gyroscoop lijkt te versnellen omdat de traagheid van de gyroscoop verandert. Als er iets een heilig principe is in de natuurkunde is dat wel het behoud van impuls of het draaiende zusje daarvan, draaimoment. Dus als de traagheid vermindert, betekent dat dat de snelheid hoger moet worden om zo de impuls gelijk te houden. Dit zou volgens McCulloch de verandering in snelheid verklaren.
Unruh-effect
Het uitwerken van kwantummechanica voorspelt vaak merkwaardige verschijnselen. Zo is er het Unruh effect. Als een voorwerp versnelt, lijkt het heelal voor warmer te zijn dan achter. Dat heeft te maken met de virtuele deeltjes waarmee de leegte gevuld is. Gewoonlijk hebben deze energie nul, maar deze krijgen energie ten opzichte van het voorwerp als dit op ze af vliegt. Als je heel hard (brom)fietst, doen de regendruppels pijn in je gezicht. Ze lijken heel veel energie te hebben, terwijl ze eigenlijk stilstaan. Deeltjes met energie nul lijken daardoor een positieve energie, dus een netto warmte-effect, te hebben.
Hubble-schaal Casimir effect
Volgens McCullochs voorstel wordt de traagheid van de gyroscoop bepaald door de omringende Unruh straling die wordt gemodificeerd door een Hubble-schaal (dus kosmisch) Casimir-effect. In dit model wordt de Unruh straling opgewekt door de draaiende schijf. Ter informatie: elke richtingsverandering (zoals van een deeltje op een draaiende schijf) is fysisch gezien een versnelling. De schijf versnelt dus ten opzichte van de rest van het heelal, zoals de aarde, sterren in de hemel en de koude draaiende ringen. Het Hubble-schaal Casimir-effect is een effect in de kwantumtheorie dat in dit geval de vorming van langere Unruh-golven verhindert en zo indirect de trage massa van de gyroscoop beïnvloedt. McCulloch noemt dit model “modified inertia due to a Hubble-scale Casimir effect†(MiHsC) of kortweg “quantized inertia.â€
Als de gyroscoop op kamertemperatuur is, wordt deze omringd door kortegolf Unruh straling. Korte elektromagnetische golven zijn energierijker dan lange golven (een lichtdeeltje is kortgolviger en dus energierijker dan een radiofoton). Als de omgeving wordt afgekoeld tot ongeveer het absolute nulpunt, wordt de golflengte van de Unruh straling langer, waardoor ze niet meer in de ruimte ‘passen’: het Hubble-schaal Casimireffect. Als de supergekoelde ring begint te draaien, zorgt de versnelling van de ring voor kortere Unruh-golven, die makkelijker in de ruimte passen. De traagheid van de gyroscoop neemt toe, waardoor hij langzamer draait.
De Pioneers 10 en 11 gaven niet alleen heel veel informatie over de gasreuzen Jupiter en Saturnus. Ze lieten ook zien dat de heliopauze heel chaotisch is en blijken onderhevig aan een raadselachtige kracht.
Behoud van impuls leidt tot versnelling
Volgens het model probeert de gyroscoop met de ring mee te bewegen om zo zijn impuls te behouden. Voor een rotatie met de klok mee moet de gyroscoop met een snelheid van 2,67 x 10-8 maal de versnelling van de ring gaan roteren. Tegen de klok in wordt deze snelheid gehalveerd.
Opmerkelijk is dat dit model Tajmar’s waarnemingen nauwkeurig verklaart. Tajmar nam waar dat de versnelling van de gyroscoop ongeveer 3 x 10-8 maal die van de ring bij rotatie met de klok mee en de helft daarvan voor rotaties tegen de klok in. Met MiHsC kan en hoeft niet geknoeid te worden met natuurconstanten, dus de theorie stemt overeen met de observaties zonder numeriek afgesteld te worden.
McCullochs model kan ook verklaren waarom de versnelling tegen de klok in kleiner is dan met de klok mee. Als de gyroscoop met de ring mee begint te draaien, verandert de beweging ten opzichte van de vaste sterren. Op het noordelijk halfrond zorgt dit effect voor een grotere versnelling met de klok mee. Dit heeft te maken met de draaiing van de aarde. Volgens de theorie is het gedrag op het zuidelijk halfrond daarom precies tegenover gesteld.
Einstein heeft niet meer het laatste woord
Hoeksteen van Einsteins relativiteitstheorie is het equivalentieprincipe: trage massa = zware massa. Daarom vallen lichte en zware voorwerpen even snel. Als MiHcS inderdaad waar is, betekent dat volgens McCulloch dat trage massa helemaal niet altijd precies gelijk is aan zware massa. In zijn artikel legt hij uit waarom in extreem gevoelige torsie-experimenten toch geen verschil is aangetoond. Ook heeft zijn theorie gevolgen voor het gedrag van sterren aan de rand van de Melkweg. Als hun traagheid kleiner is dan hun massa, moeten ze sneller bewegen om niet naar binnen te vallen. Donkere materie?
Tajmar effect verklaart raadselachtige versnelling ruimtevaartuigen
Doorgaans worden ruimtevaartuigen langs planeten gestuurd om ze op kosten van Moeder Natuur nog een flinke zet mee te geven. Heel vreemd is dat sommige ruimtevaartuigen dan een merkwaardige sprong in hun snelheid vertonen. In een eerder artikel liet McCulloch zien dat zijn theorie MiHsC redelijk goed deze flyby anomalieën beschrijft.
HIj heeft ook laten zien dat dit de Pioneer anomalie verklaart. Om raadselachtige redenen blijken de Pioneer satellieten afgeremd te worden nu ze het zonnestelsel verlaten. De verklaring volgens McCulloch is dat hun traagheid vermindert, waardoor de zwaartekracht van de zon meer invloed krijgt en ze meer afremt. McCulloch voorspelt dat als de ronddraaiende ring 10.000 keer lichter wordt uitgevoerd, het effect afneemt met de afstand. Hij hoopt dat Tajmar’s groep dit uittest. Overigens denken andere natuurkundigen dat dit effect wordt veroorzaakt door een warmtelek in de kernreactor van de Pioneers.
Nut van deze ontdekking
Het is uiteraard bijzonder handig om een techniek te hebben om de traagheid van een voorwerp te verminderen. Zo kan je met weinig energie enorme snelheden bereiken. Uiteraard ideaal als je snelheden in de buurt van de lichtsnelheid wilt bereiken. Zou je Unruh straling kunnen genereren om zo de trage massa van een voorwerp te kunnen veranderen en het zo te verplaatsen? In een eerder artikel besprak McCullough deze mogelijkheid.
Met de laatste Space Shuttle-vlucht zijn de Amerikanen nu afhankelijk van uitgerekend Russische raketten om het ruimtestation ISS te kunnen bereiken. De ultieme vernedering. Of gloort er toch nog hoop voor de geplaagde Amerikanen?
Bezuinigingen op ruimtevaart logisch gevolg van afnemende Amerikaanse invloed
De Amerikaanse economische invloed neemt in hoog tempo af. De enige reden dat de dollar overeind blijft is dat de voornaamste concurrent – de euro – in nog zwaarder weer verkeert. Overige valuta, zoals de yuan, zijn nu nog niet in staat de rol van de dollar over te nemen, maar dit is een kwestie van tijd. Het tijdperk van makkelijk schulden kunnen aangaan in dollars is voorbij. Dat betekent dat de Amerikanen op alle mogelijke dingen moeten bezuinigen – waaronder het ruimtevaartprogramma en de organisatie die ooit de nationale trots was: NASA.
Ruimtevaart voorbij NASA
De explosie van de Space Shuttle Columbia tijdens de lancering.
Veel mensen hebben de neiging ruimtevaart te vereenzelvigen met enorme organisaties als NASA. Zo bekeken zou het inderdaad voor de ruimtevaart een enorme ramp zijn als de NASA instort. Dat lijkt ook het geval nu het enige ruimtevaartuig waar de Amerikanen tot voor kort over beschikten, de Space Shuttle, definitief uit de vaart is genomen[1]. Toch gebeurt er iets opmerkelijks. Steeds meer kleine bedrijven (klein, vergeleken met de luchtvaartgiganten als Boeing en McDonnell Douglas) springen in het gat dat de grote bureaucratische organisaties laten vallen.
Het bedrijf SpaceX slaagde er in juni 2010 in om een lading op 250 km hoogte te brengen [2]. Het bedrijf kan een lancering invoeren voor 54 miljoen dollar, naar ruimtevaartbegrippen een koopje. Zelfs de Chinezen maken zich nu zorgen[3]. Ter vergelijking: alleen al een enkele vlucht met de Space Shuttle kostte honderden miljoenen dollars. Het bedrijf probeert nu de kosten nog meer te drukken.Op de satellietmarkt kotm er dus nu veel meer concurrentie.
Reizen naar de maan en verder
Er is nog geen commerciële vraag naar ruimtevluchten voorbij de aardse exosfeer. Voor een deel ligt dit aan het internationaal Ruimteverdrag dat door vrijwel alle landen is ondertekend. Onderdeel van dit verdrag is namelijk dat landen geen eigendomsrechten kunnen claimen over (delen van) hemellichamen. Jammer voor de Amerikanen (die als eersten hun vlag op de maan plantten). Het betekent ook dat een aards bedrijf niet zomaar een stuk maan of een asteroïde kan claimen. Weinig bedrijven zullen er voor voelen een kostbare ertsmijn op bijvoorbeeld de metaalasteroïde Kleopatra op te moeten geven zonder dat ze hun kosten er weer uit krijgen.
Hoe zou het leven op aarde veranderen als wezens van een technisch geavanceerde buitenaardse soort op aarde zouden landen?
Wat kunnen we over buitenaardse wezens die ons bezoeken, zeggen?
Al sinds H.G. Wells’ geruchtmakende boek War of the Worlds, waarin technisch ver gevorderde Marsbewoners de aardse grootmachten wegvagen, is er gespeculeerd over buitenaardse wezens die de aarde bezoeken. Om de enorme afstanden tussen de sterren te overbruggen is er technologie nodig die vele eeuwen op de aardse voorligt. Welke methode ook wordt gevolgd om vele lichtjaren te reizen: snelheden dicht bij de lichtsnelheid, generatieschepen, die duizenden jaren onderweg kunnen zijn, de speculatieve wormgaten of zelfs warp drive: op dit moment beschikken we nog niet over de hulpbronnen en de technische knowhow ligt (met uitzondering van generatieschepen) nog ver buiten ons technische bereik.
We kunnen er dus zeker van zijn dat de buitenaardse soort in ieder geval op ruimtevaarttechnisch gesproken veel verder gevorderd is dan de aardlingen op dit moment.
Expansieve soort die goed kan samenwerken
De geruchten over samenwerking tussen overheden en buitenaardse wezens blijven hardnekkig. Wat als ze waar zijn? No copyright/plaatje afkomstig van https://pixabay.com/users/comfreak-51581/
Tussen de sterren reizen kost veel meer energie en hulpbronnen dan veel mensen zich voor kunnen stellen. Om alleen al een bemand ruimteschip naar onze buurster Alfa Centauri te sturen, hebben we meer vermogen nodig dan de hele mensheid produceert en gebruikt. Het beeld duikt dan op van een zeer grootschalige beschaving Kardashev type II beschaving die ook behoorlijk complex en centraal georganiseerd is. En, ook heel belangrijk, op lange termijn plant en denkt. Dat wijst op een zeer stabiele sociale organisatie.
Wat zouden de gevolgen voor de aarde en de mensen zijn?
Het antwoord op deze vraag hangt er uiteraard vanaf van wat de buitenaardse wezens precies van (of met) ons willen. Het ergste scenario is uiteraard dat waarin de buitenaardse wezens besluiten ons uit te roeien, hetzij om af te rekenen met een gevaarlijke mededinger, hetzij om onze planeet te koloniseren. Dat zou uiteraard akelige gevolgen hebben voor de mensheid en vermoedelijk ook voor de rest van de biosfeer. Als de mens verdwijnt, zijn er namelijk al meerdere soorten die al in de startblokken klaar zijn om de positie van slimme soort over te nemen. Denk aan mensapen, octopussen of walvisachtigen. Waarschijnlijk zullen deze moordzuchtige aliens dan het zekere voor het onzekere nemen.
Dit scenario is alleen niet erg waarschijnlijk. In dit stadium vormen we geen bedreiging en mogelijk een bruikbare cliëntsoort. Net zoals sommige mensen graag honden houden, zullen sommige buitenaardse wezens (we weten immers als dat het om sociale wezens in een complexe samenleving zal gaan) het prettig vinden een ras van dienaren er op na te houden. Het is dus waarschijnlijker dat de aliens ons bewust ‘dom’ zullen willen houden en voorkomen dat we gevaarlijke technologie ontwikkelen.
Misschien zullen ze proberen onze wetenschap volkomen de verkeerde kant op te sturen door buitenaardse infiltranten, of menselijke zetbazen, zeer overtuigende, maar foute natuurkundige theorieën te laten bedenken. Het liefst een uiterst complexe theorie die niet door experimenten is te falsificeren. Iets als de snaartheorie bijvoorbeeld. Mogelijk lachen de aliens zich dan een bult als ze zien hoe menselijke wetenschappers er maar niet in slagen door hun listige spel heen te prikken.
Misschien geven ze ons speeltjes waarmee we niet veel kwaad kunnen aanrichten, maar die ons leven wel een stuk prettiger maken. Iets als internet bijvoorbeeld. Stel dat die mensen die nu de hele dag achter de computer zitten, over straat zouden rondzwerven. Of nog erger: dat ze in real life gaan schieten in plaats van in een spel.
In plaats van miljarden euro’s aan instrumenten de ruimte in te sturen kunnen we ook een enkele robot sturen of microbe aan de ruimte aanpassen die zichzelf kan vermenigvuldigen. Wat is er nodig, is dit idee technisch haalbaar en wat zijn de gevaren?
Zichzelf vermenigvuldigende robotmijnwerkers
Zou het niet handig zijn om net als een boer zijn akker, de ruimte, bijvoorbeeld de asteroïdengordel, vol te kunnen zaaien en daarna te kunnen oogsten? Het is niet meer nodig om dure bemande ruimtevluchten te plannen. Sterker nog: de robotwerkers kunnen zichzelf kopiëren, waardoor er na verloop van tijd een leger van honderdduizenden nijvere robotinsecten hun metalen kaken in de asteroïden zet. Kortom: voor de kosten van een enkele ruimtemissie beschik je over een enorm productieve mijnoperatie, die voor tientallen miljarden per jaar aan waardevolle ertsen oplevert.
Dit klinkt te mooi om waar te zijn, althans op het eerste gezicht. Inderdaad zitten er aan dit idee nog de nodige haken en ogen, maar in principe is het heel goed mogelijk. Er is namelijk al behoorlijk veel onderzoek gedaan naar autonome robots die in staat zijn zichzelf te vermenigvuldigen.
Wat is er nodig?
Zelfvermenigvuldigende robots op het oppervlak van Mars
In tegenstelling tot hier op aarde moet een autonome mijnwerkersrobot in staat zijn alle – of vrijwel alle – materialen die hij gebruikt zelf te fabriceren uit de grondstoffen in de omgeving. Een goede energiebron en een ertssmelter zijn dus eerste vereiste. Ook moeten uit de aanwezige grondstoffen de gewenste atomen of verbindingen kunnen worden gesorteerd. Tot slot moeten uit deze verbindingen de materialen kunnen worden vervaardigd waar de robot uit bestaat.
Dat is nog niet alles. Er mag namelijk geen kwaliteitsverlies optreden bij het kopiëren van essentiële onderdelen. Immers, als bijvoorbeeld een bepaald onderdeel een precisie heeft van een micrometer, dan zal met dit onderdeel nooit iets preciezer kunnen worden gefabriceerd dan een micrometer. Bij elke kopie ontstaat er meer speling, dus worden de kopieën elke generatie slechter. Er zal dus in de natuurkundige trukendoos moeten worden getast om dit probleem op te lossen. Met bijvoorbeeld lasers kan je dingen maken die nauwkeuriger zijn dan de onderdelen waar de laser uit bestaat. In levende wezens gaat dat goed, omdat ze op moleculair niveau werken. Atomen kunnen niet slijten.
Ook moet het ontwerp goed bestand zijn tegen energierijke kosmische straling en micrometeorieten. Dat is ook de reden waarom er in ruimtevaartuigen heel ouderwetse computers worden gebruikt. Die zijn zo grof gebouwd, dat hun werking niet al teveel verstoord wordt als een kosmisch geladen deeltje inslaat.
Zouden we al een automatische mijnwerkerrobot kunnen bouwen?
Het voornaamste probleem is voldoende intelligentie inbouwen. Asteroïden bestaan uit meerdere soorten materiaal met waarschijnlijk nog onbekende materiaalsoorten. Door de grote afstand van de aarde is tele-operatie niet of nauwelijks mogelijk. Eventueel kunnen de robots vanaf een centraal brein worden bestuurd dat dan uiteraard op aarde kan worden gefabriceerd.
Een belangrijk ander probleem is de energievoorziening. Op de maan is er heel veel zonlicht. Ook kunnen op de maan robots makkelijk worden bestuurd. Nadeel is dat de maan niet erg rijk is aan gewilde delfstoffen. Metaalasteroïden zoals Kleopatra zijn dat wel. Vele kubieke kilometers massief metaal is uiteraard de droom van iedere mijnbouwer. Het vervelende is dat metaalasteroïden zich ver van de zon bevinden. De zonneconstante, een maat voor de sterkte van het zonlicht, is in de asteroïdengordel maar ongeveer een kwart tot een zestiende zo groot als op de aarde en de maan. Misschien dat dus in een eerder stadium grote hoeveelheden zonnepanelen op de maan worden gefabriceerd en naar de asteroïden worden gestuurd. Silicium zonnepanelen kunnen van silicium en spoortjes andere elementen worden gemaakt, die op de maan net als op aarde overvloedig aanwezig zijn.
Een groep bachelor studenten lucht-ruimtevaarttechniek aan de TU Delft is met het idee gekomen om grote kites in te zetten om het rendement van windturbines te verhogen.
De afname van energie uit de luchtstromen door windturbines zorgt voor een turbulente stroom van lucht (het zgn. wake-effect) waardoor achterliggende turbines aanzienlijk minder opbrengen. Deze afname in opbrengst kan volgens één van de studenten bijvoorbeeld oplopen tot wel 7% voor de 36 windturbines aan de kust van Egmond aan Zee.
Volgens berekeningen zouden 23 kites (die vast zitten aan boeien) met een spanbreedte van 16 meter op 145 meter hoogte de lucht zo kunnen buigen, dat het wake-effect met 65% afneemt. De kites, Daeolus genaamd, zouden de bruikbare lucht van boven de molenwieken richting de achterliggende turbines ‘blazen’. Voor het windpark bij Egmond aan Zee zou dit betekenen dat het een extra 13.500 MWh per jaar zou kunnen produceren, wat omgerekend een winst van 2,3 miljoen euro per jaar omhelst (bij een kwh prijs van 17 cent).
Hoewel een winst van 65% enorm veel lijkt, is er wel enige scepsis. Het idee moet nog getest worden, en pas dan zal blijken of er daadwerkelijk een dergelijke winst behaalt kan worden. Het continu in de lucht houden van een kite is in ieder geval erg lastig. In het volgende stadium van onderzoek zal blijken hoe bruikbaar dit wel erg inventieve idee daadwerkelijk is.
Bronnen:
De Technologiekrant nummer 10, 2011 TU DELTA
Jupiter kent vier grote manen: Io, Europa, Ganymedes en Callisto. Drie van deze vier manen worden geteisterd door de dodelijke straling van Jupiters magneetveld. De buitenste maan, Callisto, nauwelijks. Geen wonder dat NASA serieuze plannen heeft uitgewerkt om in 2040 Callisto te koloniseren.
Jupiters buitenste grote maan, Callisto, is nauwelijks veranderd sinds de vorming van het zonnestelsel miljarden jaren geleden.
Callisto factsheet
Grootte: 4820 km doorsnede (iets groter dan de maan)
Zwaartekracht: 0,13 maal die van de aarde, vergelijkbaar met de maan
Pluspunten: weinig straling aan de oppervlakte, enorme voorraden waterijs, gesteente aan de oppervlakte waaruit materialen zijn te winnen
Gevaren: nauwelijks magnetisch veld, geen atmosfeer, nauwelijks zonnestraling
De omgeving
Astro-kunstenaar Walter Myers stelt zich het landschap van Callisto zo voor. Satelliet Galileo vond inderdaad bewijzen voor scherpe pieken. Bron: arcadiastreet.com
Callisto is gevormd door het langzaam opslokken van de stofdeeltjes rond Jupiter. Callisto staat te ver weg van Jupiter om beïnvloed te worden dor de magnetosfeer of de getijdekrchten. Astronomen denken daarom (en vanwege de vele kraters op de maan) dat het landschap op Callisto meer dan 4,5 miljard jaar oud is. Dit is slechts honderd miljoen jaar minder oud dan de aarde.
Callisto is dan ook bezaaid met kraters, in de buurt van de maximaal denkbare dichtheid. Op sommige plekken is Callisto bezaaid is met bizarre pieken, die wel wat weg hebben van de ijspilaren in Patagonië. Op plekken waar geen inslagen zijn (of de inlagen zeer oud) is Callisto bedekt met donker materiaal, vermoedelijk koolwaterstoffen en mineralen. Callisto is nooit opgewarmd, waardoor ijs en gesteente op het oppervlak nooit zijn gescheiden, behalve lokaal bij zware inslagen. Bij de extreem lage temperaturen op Callisto is ijs overigens zo hard als graniet.
Op grond van magneetveldwaarnemingen vermoeden astronomen dat Callisto net als de maan Europa een onderaardse oceaan kent, waarin mogelijk leven voor kan komen. Omdat Callisto alleen door radioactiviteit wordt verhit, zijn de omstandigheden voor dit leven veel minder gunstig dan in Europa. Al was het maar omdat de buitenste schil naar schatting 100 km dik is.
Transport van en naar Callisto
Alle ruimtevaartuigen die op dit moment worden gebruikt maken gebruik van raketvoortstuwing. Wat dan telt is delta v – de totale hoeveelheid versnelling en vertraging die nodig is. Beide kosten evenveel raketbrandstof. Ruimtevaartuigen kunnen remmen in de atmosfeer van Jupiter (wat door de sterke zwaartekracht van Jupiter alsnog veel brandstof kost om vanaf Jupiter naar Europa te reizen) of gebruik maken van magneetremming op het enorme magnetische veld, wat brandstof bespaart. Een reis van de aarde naar het Jupitersysteem kost om en nabij de zes jaar als gebruik wordt gemaakt van passieve voortstuwing (planetary flyby).
Hoe bewoonbaar is Callisto?
Het oppervlak van Callisto is vrijwel luchtledig en kent temperaturen van honderdzeventig graden onder nul. De straling is niet zo sterk als op Europa, maar de basis zal beschermd moeten worden voor micrometeorieten. Het ligt dus voor de hand de basis ondergronds te vestigen. Het kan interessant zijn dit ijs in de vorm van een enorme fisheye lens te smelten, waardoor het uiterst schaarse zonlicht op Callisto (3% van dat op aarde) kan worden benut en geconcentreerd. De zwaartekracht is onvoldoende voor een permanent verblijf van de mens. De lage zwaartekracht betekent dat permanente bewoners in een zwaartekrachtsmolen moeten slapen of door een medische behandeling aan de lage zwaartekracht aangepast raken. Mogelijk bevinden zich op het oppervlak van Callisto radioactieve ertsen die als energiebron zijn te gebruiken. Als het lukt om helium-3 kernfusie te realiseren, kunnen de overvloedige helium-3 voorraden op Jupiter geoogst worden.
Een prettige kant aan Callisto is dat het oppervlakte zowel veel waterijs als gesteente bevat, met vermoedelijk de nodige stikstofverbindingen. Dit betekent dat als voldoende energie beschikbaar is, in principe de basis zelfvoorzienend kan worden.
NASA stelt zich een basis op Callisto ongeveer zo voor. Waarschijnlijk zal het grootste deel van de basis ondergronds zijn. Dat biedt een goede bescherming tegen de meedogenloze meteorietenregen. bron: NASA
Voordelen van een kolonie op Callisto
Callisto kent enkele grote voordelen. De maan bevindt zich buiten het gevaarlijkste deel van Jupiters magnetosfeer. De maan bestaan voor een groot deel uit water, een eerste levensbehoefte voor alle aardse levensvormen. Het ijs kan gesplitst worden in waterstof en zuurstof om te ademen. De maan bestaat uit een mengsel van ijs en gesteente, wat in principe alle vereiste grondstoffen oplevert. Een basis op Callisto zal – als er leven aanwezig is – vermoedelijk veel interessante wetenschappelijke kennis opleveren. Omdat Callisto niet zo diep in Jupiters zwaartekrachtput zit als de andere drie grote manen, is de maan makkelijker te bereiken en te verlaten dan de andere grote manen van Jupiter. Dit maakt Callisto interessant als bevoorradingsbasis voor expedities naar de buitenplaneten.
Gevaren op Callisto Callisto kent geen beschermende atmosfeer en wordt voortdurend getroffen door meteorieten. De maan draait op veilige afstand om Jupiter, de planeet met het krachtigste en dodelijkste magneetveld in het zonnestelsel, dus de straling aan het oppervlak bedraagt ‘slechts’ 0,1 millisievert per dag. Ter vergelijking: de dagelijkse stralingsdosis in Nederland bedraagt 0,005 millisievert per dag; de hoogste natuurlijke achtergrondstraling ter wereld is 0,7 mSv per dag in het Noord-Iraanse kustplaatsje Ramsar en lijkt de lokale bevolking niet aan te tasten. Er is minder zonne-energie dan op aarde. Een basis zal dus haar eigen energie op moeten wekken met behulp van kern(fusie)energie. De zwaartekracht is erg laag; kolonisten zullen dus voortdurend zware oefeningen moeten doen of ’s nachts moeten doorbrengen in een zwaartekrachtscentrifuge.
De diepzee kent allerlei bizarre wezens. Dat zal op Callisto -als daar leven voorkomt - niet anders zijn.
Hoe zou een kolonie op Callisto er uit zien?
Een kolonie met wetenschappelijke doelen of om ruimteschepen te bevoorraden zal vermoedelijk onder het oppervlak gevestigd zijn. Energiegebrek is een belangrijke issue. Mogelijk kan helium-3, gewonnen op Jupiter, worden gebruikt om een kernfusiecentrale mee aan te drijven (gesteld, dat netto energie uit kernfusie tegen die tijd gerealiseerd is). Mogelijk wordt Callisto een knooppunt waarvandaan de helium-3 mijnoperaties op Jupiter worden geleid.
Hoe is Callisto tot leefbare wereld om te bouwen? Jupiter tot miniatuurzon ombouwen, zoals aliens in Arthur C. Clarke’s Space Odyssey-cyclus deden, is met onze huidige techniek (helaas?) niet haalbaar. Als het belangrijkste doel is om Europa en Ganymedes bewoonbaar te maken, zal Callisto overigens te ver weg liggen om de maan te smelten. Meer perspectief biedt waarschijnlijk de oceaan op honderd kilometer diepte. Deze zou ingezaaid kunnen worden met aards onderzees leven en net als Europa, door zwemmende menselijke wezens met kieuwen bewoond. Omdat er in Callisto alleen radioactieve energie vrijkomt, is er waarschijnlijk nauwelijks tot geen energie beschikbaar. Deze moet dus kunstmatig aangevoerd worden, bijvoorbeeld via een fusiereactor die op helium-3 werkt. Waarschijnlijk is het nog het slimste, in de dikke sorbetachtige ijskorst van het maantje een gangenstelsel aan te leggen. Een bestaan als ijsmollen dus.
Near-earth asteroids zijn vooral bekend van de akelige gevolgen die inslag van zo’n ruimtekei op onze aarde heeft. Veel near-earth objects zijn echter ook rijk aan interessante metalen. Welke ruimtekeien zijn het lucratiefst voor mijnbouw?
Ruimtemijnen
Asteroïden zijn in veel opzichten ideaal voor mijnbouw. Sommige asteroïden bestaan bijna geheel uit massief metaal. De zwaartekracht is zeer laag, waardoor de ertsen makkelijk zijn te transporteren. De asteroïdengordel ligt ver weg van de aarde, waardoor mijnbouw in de asteroïdengordel moeilijk is. Een aantal asteroïden bevindt zich echter vlak bij de aarde. Bij ruimtevaart kost zowel versnellen als vertragen veel brandstof. De benodigde snelheidsverandering om hier te komen vanaf de aarde is veel kleiner, wat ze interessant maakt voor mijnbouw.
Asteroid prospecting
NASA stelt zich asteroïdemijnbouw ongeveer zo voor.
Martin Elvis van het Harvard-Smithsonian Center voor Astrophysics in Cambridge, Masachusetts en een aantal van zijn collega’s onderzochten welke near-earth ruimtekeien het beste in aanmerking komen voor ruimtemijnbouw.
Dit is geen eenvoudige taak. Er zijn ongeveer 100 000 near-earth objects, waarbij van zesduizend redelijk veel details bekend zijn. Door te kiezen voor de asteroïden die het gemakkelijkst te bereiken zijn, kan behoorlijk op brandstof worden bespaard: er kan dan twee tot drie keer meer aan nuttige lading mee met een chemische raket. De zes asteroïden die het gemakkelijkste vanaf de aarde zijn te bereiken zijn helaas niet erg helder(1). Dat betekent dat het om zeer kleine blokken moet gaan, misschien zo groot als een huis. Het ruimteschip zou dan wel eens groter kunnen zijn dan de asteroïde die het doel is van de expeditie. Geen goudmijn dus. Uiteraard is het het interessantst, voor de komende Amerikaanse asteroïde-expeditie, gepland in 2025, een asteroïde te kiezen die voor mijnbouw interessant is. Dat betekent: metaalrijk en groter dan een kilometer.
Onder de near-earth asteroids zijn er vijfhonderd tot duizend objecten van meer dan een kilometer groot (2). Het ontginnen van een metaalachtige near-earth asteroid van meer dan een kilometer groot (ongeveer tien procent van alle asteroïden behoort tot de metaalrijke M-klasse) zou honderden miljarden euro’s aan metalen opbrengen. In theorie. Je zou de mijnbouwapparatuur aan kunnen drijven met zonne-energie, want die is overvloedig aanwezig in de ruimte op een aardachtige afstand van de zon.
Hoe breng je het metaal naar de aarde?
Uiteraard is het een pittige technische uitdaging om al dit metaal tegen lage kosten op aarde terecht te laten komen. Een te hoge snelheid zal het metaal laten opbranden in de atmosfeer. Wellicht zou je het metaal kunnen laten smelten door middel van zonne-energie, door het vloeibare metaal snel rond te laten draaien te veranderen in een schijf en laten remmen op het aardmagnetisch veld (als elektrische geleiders in een magnetisch veld bewegen, ontstaan kringstromen). Een andere oplossing kan zijn, grote brokken gecontroleerd in te laten slaan in een weinig gebruikt en ecologisch niet erg gevoelig gebied van de oceaan.
Het was al langer bekend dat grafeen een zeer sterk en licht materiaal is. Nu hebben Chinese onderzoekers ontdekt hoe de eigenschappen van grafeen nauwkeurig zijn in te stellen. Met hun nieuwe model kunnen ook de eigenschappen van grote stukken grafeen nauwkeurig worden berekend.
Grafeen als wondermateriaal
Grafeen lijkt op een soort kippengaas, bestaande uit een atoomdikke laag koolstofatomen. Grafiet (bekend van zachte potloden) bestaat uit laagjes grafeen. Het materiaal is extreem sterk, maar de laagjes glijden onderling gemakkelijk.
Op dit moment is het nog niet mogelijk grote stukken grafeen te maken, maar lukt dat, dan ontstaat een materiaal dat alle bekende materialen in kracht overtreft en tegelijkertijd zeer licht is.
Eigenschappen grafeen aan te passen
De treksterkte schiet omhoog bij CB-grafeen, waarbij de afstand tussen de laagjes grafeen twee keer zo groot is als normaal
En er is nog meer goed nieuws. Het is mogelijk de treksterkte exact aan te passen door de onderlinge dwarsverbindingen van de laagjes grafeen aan te passen. Nu is het dus mogelijk om de eigenschappen van grafeen (en andere materialen die uit atoomdikke laagjes bestaan) precies zo te berekenen en aan te passen als gewenst.
De onderzoekers berekenden dat als ze extra dwarsverbindingen aan grafeen toevoegen, het materiaal ook veel luchtiger en twee keer lichter wordt dan standaard grafiet. Dit zou het materiaal voor bijvoorbeeld vliegtuigbouwers uiteraard zeer interessant maken. Het brandstofverbruik van een vliegtuig hangt rechtstreeks samen met het gewicht. Ook andere vervoermiddelen zoals auto’s en -vooral- ruimtevaartuigen, waarbij elke kilogram telt, zullen qua energieverbruik sterk profiteren van lichte, sterke materialen.
Grafeen als vervanger voor de meeste metalen
De mogelijkheden en implicaties hiervan zijn in principe enorm. Grafiet zal een zeer waardevolle grondstof worden, het belang van structurele metalen zal afnemen (al zullen ze belangrijk blijven als elektrische geleider). Zodra onderzoekers er in slagen om grafeen rechtstreeks te produceren, betekent dit dat er werkelijk eindeloze voorraden bouwmateriaal zijn, want koolstofatomen (waar grafeen uit bestaat) komen op aarde zeer veel voor. Met voldoende energie breekt dan een tijdperk van overvloed aan. De enige beperkende factor wordt dan het voorkomen van milieubelasting.
