lagrangepunten

Om de zonachtige ster KOI-730 draaien twee planeten in dezelfde omloopbaan. Hoe lang blijft dat goed gaan?

Twee planeten delen dezelfde baan

De planeetzoekende satelliet Kepler heeft een object ontdekt dat in theorie wel zou kunnen bestaan maar voor praktisch onmogelijk werd gehouden: twee planeten in dezelfde omloopbaan. Astronomen denken dat miljarden jaren geleden een vergelijkbare planeet op de aarde is gestort.

De bestaande theorie voor planeetvorming zegt dat een planeet zijn hele omloopbaan schoonveegt. Daarom is het zonnestelsel tot voorbij de baan van Neptunus bijna helemaal vrij van puin en stof. Alleen de planetoïdengordel blijft in stand, naar vermoedt wordt omdat de reuzenplaneet Jupiter voorkomt dat het puin zich samenvoegt.

Om de zonachtige ster KOI-730 draaien twee planeten in dezelfde omloopbaan. Hoe lang blijft dat goed gaan?
Om de zonachtige ster KOI-730 draaien twee planeten in dezelfde omloopbaan. Hoe lang blijft dat goed gaan?

Echter: elke planeet heeft enkele zogeheten Lagrangepunten: punten waarop de zwaartekracht van de ster en de planeet elkaar in evenwicht houden. Alleen L4 en L5, de twee punten die op de onloopbaan  van de planeet liggen, zijn echter stabiel: objecten blijven hier van nature hangen. In de Lagrangepunten van de aarde zweeft ruimtestof; Jupiter heeft asteroïden, de Trojanen, op beide Lagrangepunten.

Precies op die punten van het zonnestelsel KOI-730 heeft Kepler nu een tweelingplaneet ontdekt. Kepler vindt planeten door te letten op periodieke veranderingen van de helderheid van een ster. Als een planeet voor zijn ster langs trekt, verduistert hij de ster een beetje. Objecten in dezelfde omloopbaan bewegen altijd even snel. Astronomen vonden een patroon waarin op eenzesde van de periodetijd de ster nog een keer wat zwakker werd. Dit moesten daarom planeten in elkaars Lagrangepunten zijn. Het jaar duurt 9,8 dagen voor beide planeten.

Vanaf één planeet ziet de andere planeet er uit als een licht dat ten opzichte van de zon altijd op precies dezelfde plaats blijft staan. Volgens twee astronomen, Richard Gott en Edward Belbruno van Princeton is de maan op een vergelijkbare wijze ontstaan. Volgens hun theorie – ondersteund door computersimulaties – moet Theia, het planetaire object zo groot als Mars dat volgens velen vijftig miljoen jaar na de vorming van het zonnestelsel met de proto-aarde is gebotst, met lage snelheid op de aarde terecht zijn gekomen om uiteindelijk tot de vorming van de maan te hebben kunnen leiden. Dat kan alleen zijn gebeurd als Theia zich al in de baan van de proto-aarde bevond – op één van de Lagrangepunten.

De kans dat we net zo’n spectaculaire botsing gaan zien is klein. Volgens berekeningen van hun collega Bob Vanderbei blijft deze baan zeker nog zo’n 2,2 miljoen jaar stabiel.

Bron: New Scientist

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.

Luchtkastelen bouwen

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.
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)

Daglengte: naar wens (bijvoorbeeld aardnormaal)

Lengte jaar: 365,25 dagen (Lagrangepunten aarde)

Waardevolle grondstoffen: zonneënergie, zonnewind, nabij ruimtepuin

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.
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 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.
Zo zou Ringwereld er uit zien: een ring die de hele omloopbaan van de aarde omspant, miljarden keer de oppervlakte van de aarde.