Breakthrough Starshot, het project van Stephen Hawking en de steenrijke Rus Yuri Milner om onze naaste buren Alfa Centauri A,B en Proxima te bezoeken, is weer een stap dichterbij gekomen. Er is nu namelijk een methode ontwikkeld om af te remmen.
Breakthrough Starshot
Anders dan standaard ruimteschepen, die tonnen wegen, kan je de ruimtesonde van Breakthrough Starshot met gemak in een brief verzenden. Het concept-ruimteschip weegt namelijk niet meer dan zo’n tien gram. Dat is zonder het enorme vangzeil van zo’n 100.000 vierkante meter (een tiende km2). Dat weegt natuurlijk iets meer. De verhouding massa ten opzichte van voortstuwing is het voornaamste technische probleem in de ruimtevaart. Dat geldt vooral voor zeer snel bewegende ruimteschepen. Volgens Einstein wordt de massa van een ruimteschip groter als dit de lichtsnelheid nadert.
Dit betekent: enorm veel energie. De energie-equivalent van 1 gram massa is 100 miljoen MJ, of 2500 kuub benzine of diesel. Dat is de reden dat het geplande ruimteschip naar Alfa Centauri zo klein is. Het energie-equivalent van 100 miljoen megajoule is nog wel op te wekken voor enkele tientallen miljoenen. Een ruimteschip van 100 ton lanceren met relativistische snelheden, vereist de hulpbronnen van minimaal een Kardashev-I beschaving die een complete planeet kan aftappen. Of een echte death ray. Kortom: zelfs Elon Musk, Jack Bezos en Jack Ma samen kunnen dat niet betalen.
Zeer sterke laser
Conceptversie van Breakthrough Starshot. De vier rode laserbundels op de hoeken worden gebruikt voor communicatie met de aarde. Bron: Universiteit van Puerto Rico / Arecibo Observatory
Breakthrough Starshot wordt door middel van een geconcentreerde laserbundel versneld tot enkele procenten van de lichtsnelheid. Dit scheelt brandstof en een motor. Nadeel is dat als de afstand groter wordt, steeds meer laserlicht niet meer op het vangzeil van het ruimtescheepje terecht komt. Daardoor neemt het rendement sterk af. Een veel groter probleem is het afremmen. Dit is zonder brandstof bijna niet te doen. Weliswaar zal de zonnewind van Alfa Centauri A en B tegendruk leveren, maar deze is onvoldoende om het ruimtescheepje af te remmen.
Afremmen met zon en zeil
René Heller van het Max Planck Institute for Solar System Research in het Duitse Göttingen en zijn collega Michael Hippke hebben een oplossing ontwikkeld. Het komt er in het kort op neer om het enorme zeil te gebruiken om af te remmen. In de oorspronkelijke plannen bleef dit ingeklapt. Door gebruik te maken van de zwaartekracht van het stersysteem is het volgens hun berekeningen zelfs mogelijk om het ruimteschip te manoeuvreren.
Beide creatieve geesten bedachten ook een slimme oplossing om de energie slurpende laser te vervangen. Namelijk de stralingsdruk van de Zon zelf. Op die manier wordt de lancering qua energie vrijwel gratis, want de zon doet het werk. Uiteraard blijft het technische probleem van het bouwen van een zeer licht, enorm zonnezeil overeind. Maar hiervoor hebben we ondertussen een oplossing: grafeen. Een km2 grafeen van één atoomlaag dik heeft een massa van minder dan 20 gram. Dit grafeen kan ook als zonnepaneel dienen. Wel moeten we dan routinematig grafeen kunnen produceren, zoals we nu bijvoorbeeld aluminiumfolie produceren. Dit lukt steeds beter, maar nog steeds is grafeen schaars en duur.
Kortom: project Breakthrough Starshot begint steeds meer science en steeds minder fiction te worden. Alfa Centauri, here we come!
Bron
Heller, R., & Hippke, M. (2017) “Deceleration of high-velocity interstellar sails into bound orbits at Alpha Centauri”, The Astrophysical Journal Letters, Volume 835, L32, DOI: 10.3847/2041-8213/835/2/L32
De afstanden tussen sterren zijn ongeveer honderdduizend maal zo groot als de afstanden binnen het zonnestelsel. Kortom:we hebben radicaal andere technologie nodig als we het zonnestelsel willen verlaten en de rest van de Melkweg willen koloniseren. Technologie die er nu nog niet is, al hebben we wel steeds meer een idee van hoe deze technologie er uit moet komen te zien. National Geographic deed onderzoek en stelde deze documentaire samen.
Zoals gebruikelijk bij NGC,worden hier vooral de meer brave, wetenschappelijk voldoend onderbouwde scenario’s belicht. Het grootste probleem is de benodigde stuwstof en reistijd. Chemische raketten zijn al nauwelijks voldoende om binnen het zonnestelsel te navigeren. Buiten het zonnestelsel zijn ze hopeloos ontoereikend. We moeten qua voortstuwing dus kiezen voor een zeer energiedichte energiebron, zoals nucleair of antimaterie, of laseraandrijving vanuit ons zonnestelsel. Ook zijn we zelfs met de beste voortstuwingstechniek gebonden aan de lichtsnelheid. In minder dan 4,2 jaar kunnen we volgens de klassieke natuurkunde niet Alfa Centauri, de dichtstbijzijnde zonachtige ster, bereiken.
Het conceptruimteschip Icarus met fusieaandrijving, dat de interstellaire leegte zou kunnen bereizen. – Icarus Interstellar
Tenzij we voor de warpdrive kiezen, natuurlijk. Hiermee zou het in theorie -misschien- mogelijk zijn te ontsnappen aan ruimtetijd, door de ruimte voor en achter het ruimteschip te vervormen. Lokaal staat het schip stil, maar de “bel” ruimtetijd waarin het zich bevindt, ploegt wel met warpsnelheid door het heelal.
Eigenlijk is er op dit moment maar één echt realistische optie om de sterren te bereiken: antimaterie. Antimaterie produceren is nog steeds extreem moeilijk, maar er is nu wel een motorontwerp waarmee snelheden tot zeventig procent van de lichtsnelheid zijn te bereiken. Dus als een uitvinder een efficiënte methode bedenkt om antimaterie te maken en er ook nog even een overvloedige energiebron bij bedenkt, kunnen we op weg…
Het wordt nooit wat met reizen naar de sterren zonder goede raketmotor. Goed nieuws: de motor hebben we nu, nu de brandstof nog... (bron/(c): startrek.com)
Ideale raketbrandstof
Antimaterie is volledig in energie om te zetten, door deze met dezelfde hoeveelheid materie samen te voegen. Een gram antimaterie levert hiermee 25 miljoen kilowattuur op, voldoende energie om in een elektrische auto naar de zon te rijden en weer terug (of, wellicht praktischer, met een ruwweg vergelijkbare auto 6000 maal de wereld rond).
Geen wonder dat ruimtevaartvisionairen serieus aandacht besteden aan antimaterie als aandrijving. Antimaterie is de enige bekende brandstof waarmee snelheden in de buurt van de lichtsnelheid zijn te bereiken. Helaas (of gelukkig, want antimaterie is een uitermate explosief goedje), is antimaterie schaars en wordt met atomen tegelijk gemaakt. In een gram waterstof zitten alleen al 3,1 * 10^23 atomen, dus alle sterren in het heelal zijn allang tot doffe sintels afgekoeld tegen de tijd dat je op die manier genoeg antimaterie hebt gemaakt voor een reis naar de sterren.
Eindelijk een goede motor
Maar toch, sommige natuurkundigen (doorgaans grote science fiction fans), laten zich daardoor niet weerhouden. Want stel, we vinden wel een overvloedige antimateriebron uit. Ronan Keane van Western Reserve Academy en Wei-Ming Zhang van Kent State University, beide in de Amerikaanse staat Ohio, hebben dan alvast een bruikbare antimaterie-motor op de plank liggen.
De maximumsnelheid van een raket hangt af van de snelheid waarmee het gas of andere deeltjes uit worden gestoten, het deel van de raketmassa dat wordt besteed aan brandstof en de strategie waarmee de brandstof wordt opgestookt. Het tweetal besloot zich toe te leggen op het maximaliseren van de uitstroomsnelheid. Immers: we kennen niet de overwegingen van raketbouwers in de (verre) toekomst, aldus het tweetal. Wel weten we dat een hoge uitstroomsnelheid in elke raket handig is. In dit geval: de uitstroomsnelheid van de deeltjes die ontstaan bij de vernietiging van materie en antimaterie.
Deze impuls wordt voornamelijk opgewekt door het gebruik van een magnetisch veld dat geladen deeltjes afbuigt in de annihilatie. Dit tweetal richt zich op de wederzijdse vernietiging van protonen en antiprotonen waarbij geladen pionen (instabiele quarkparen) ontstaan. Hoe efficiënter het magneetveld alle impuls de juiste richting op kan sturen, hoe efficiënter de aantimaterieaandrijving. In deze opzet hangt de uitlaatsnelheid van de pionen af van twee factoren: hun gemiddelde beginsnelheid als ze ontstaan en de efficiëntie van de magnetische sproeikop.
Motor efficiënt en binnen bereik
In het verleden berekenden diverse natuurkundigen dat de pionen met 90% van de lichtsnelheid zouden reizen maar dat de sproeikop slechts 36% efficiënt zou zijn: met elkaar vermenigvuldigd, rond de 0,32 c. Teleurstellend langzaam. In het nieuwe ontwerp van Keane en Zhang, waarbij ze gebruik maakten van de GEANT4 (short for Geometry and Tracking 4) software die het CERN gebruikt om het gedrag van botsende bundels protonen en antiprotonen te berekenen, blijkt echter zowel goed als slecht nieuws. Slecht nieuws is dat de pionen die op deze manier worden geproduceerd, geen 90% maar slechts 80% van de lichtsnelheid bereiken. Het goede nieuws is dat uit de simulaties blijkt dat een magnetische sproeikop veel efficiënter kan zijn dan tot nu toe gedacht: tot de 85% efficiënt. Samen betekent dit dat tot maar liefst 70% van de lichtsnelheid bereikt kan worden. Althans in theorie. Bij 0,7 c vertraagt de tijd merkbaar.
Ander goed nieuws is dat hiervoor niet eens een extreem sterk magnetisch veld nodig is. 12 Tesla is een veldsterkte die nu al in MRI-scanners en in het CERN wordt gebruikt. Kortom: we kunnen nu al een dergelijke antimateriemotor bouwen.
Nu de brandstof nog….
Volgens sommige schattingen duurt het ongeveer duizend jaar om met een installatie als van het CERN een miljoenste gram antimaterie te maken. Daarmee kom je uiteraard niet erg ver. Keane en Zhang hebben hiervoor een oplossing: het oogsten van antiprotonen uit een dunne ring antimaterierijk materiaal die de aarde omringt. PAMELA, de satelliet die de metingen deed, oogstte echter slechts 28 antiprotonen in twee jaar. Het CERN produceert er meer per dag. Het is vermoedelijk slimmer om met een enorm magnetisch schepveld bundels antimaterie uit de kosmische straling te oogsten of, nog beter, deze met behulp van zonne-energie te produceren. De zon zet per seconde bijna duizend ton massa om in energie. Deze energie is weer in materie om te zetten. Als je de gehele zon zou aftappen, zou je in ongeveer een seconde de antimaterie kunnen produceren voor een ruimtereis. Dus wie weet,komt het nog eens zover…
Is een exoplaneet als Pandora, de thuiswereld van de Nav’i in de kaskraker Avatar, werkelijk mogelijk? Deze korte documentaire (iets meer dan twintig minuten) neemt je op reis naar Alfa Centauri, het dichtstbijzijnde planetenstelsel voorbij het zonnestelsel.
Voyage to Pandora: First Interstellar Space Flight
Alfa Centauri ligt op 4,2 lichtjaar afstand van de aarde. Een planeet die om dit meervoudige sterrenstelsel draait, zou één van de meest voor de hand liggende doelen voor de eerste menselijke expeditie naar een andere ster zijn. Dit klopt.
Maar hoe waarschijnlijk is het dat een maan zo groot als een planeet die om een gasreus draait, zoals Pandora, leven ontwikkelt? Zijn de levensvormen zoals die in Avatar voorkomen, realistisch?
Nu er steeds meer exoplaneten opduiken, worden er ook steeds meer kandidaatwerelden bekend die zich in de bewoonbare zone bevinden, met andere woorden: leven kunnen bevatten. Een van de interessantste kandidaten is Gliese 581. Hoe zouden we naar Gliese 581 kunnen reizen? Check de video.
De speciale en algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein verbieden reizen sneller dan het licht. Dat is heel vervelend, want zo duurt een reisje naar hartje Melkweg 26 000 jaar en naar onze buur, het Andromedastelsel, zelfs twee miljoen jaar. Minimaal. Zo wordt het natuurlijk nooit wat met ruimtecruises naar Sirius B of de Pleiaden. Maar misschien heeft de Mexicaan Miguel Alcubierre de oplossing.
Het probleem
Niets ter wereld kan voor zover we weten sneller bewegen dan het licht. In een vernuftig experiment is zelfs aangetoond dat ook door kwantumeffecten individuele lichtdeeltjes nooit sneller kunnen bewegen dan c, de lichtsnelheid. Kortom: het is natuurkundig gezien onmogelijk om te ontsnappen aan de greep van de relativiteitstheorie. Zodra een ruimtereiziger de lichtsnelheid nadert, kost het steeds meer energie om de snelheid ook maar iets te verhogen. Op een gegeven moment zit er zelfs vele malen meer bewegingsenergie in de reiziger dan in zijn massa, als deze in energie wordt omgezet. Kortom: zo snel willen reizen als het licht vereist bovenmenselijke hoeveelheden energie. Ook veranderen zelfs onschuldige atomaire deeltjes als waterstofatomen bij die snelheid in verwoestende projectielen.
Wie zou niet net als de Enterprise sneller dan het licht willen kunnen reizen om verre werelden en vreemde verschijnselen te ontdekken?
Ruimtetijd als rubber
Miguel Alcubierre bedacht een oplossing, een bijzondere ruimtetijdmetriek die consistent is met Einsteins theorie. Wat als we niet alleen het ruimteschip zelf, maar ook de omringende ruimte versnellen? De ruimte voor het schip wordt ingekort, terwijl de ruimte achter het schip wordt uitgerekt. Alsof je vooruitkomt, door het tapijt voor je samen te laten trekken en achter je uit te laten zetten (het werkelijke plaatje is iets ingewikkelder dan dit). Voor de inzittenden van het schip verandert er niets. Hun eilandje ruimtetijd blijft intact. Om het schip heen zijn echter titanenkrachten aan het werk. Terwijl ze stil lijken te staan, bevinden ze zich plotseling bij Alfa Centauri.
Hoe werkt de Alcubierre drive?
Het klinkt te mooi om waar te zijn en dat is het dan ook. Miguel Alcubierre deed een aantal gewaagde veronderstellingen. Zo veronderstelde hij dat er zoiets als negatieve energie bestaat. Energie dus die als deze in aanraking komt met ‘normale’ energie, oplost in het niets. De natuurkundige bewijzen voor deze gewaagde stelling zijn, voorzichtig uitgedrukt, flinterdun. Ook is er exotische materie nodig: materie met negatieve massa.
Dan zijn er nog een aantal probleempjes. Zo is er volgens sommige berekeningen meer energie nodig dan er zich in het hele heelal bevindt voor een klein tripje naar de andere kant van de Melkweg. Toch jammer als je aankomt en het heelal bestaat niet meer. De meeste natuurkundigen achten daarom de kans klein dat de Alcubierre drive ooit in de praktijk zal worden gebracht.
Maar wie weet vergissen ze zich. Dat deden ze namelijk al vaker…
