megastructuren

De Niven Ring, een ring die de omloopbaan van de aarde beslaat, is slechts een van de ideeën vopor megastructuren die aan de orde komen.

Niven-ring: een megastructuur uit de toekomst

In de nabije toekomst zullen we de aarde verlaten en nederzettingen stichten op de maan en Mars. Maar wat gebeurt er als we verder gaan, in de iets verdere toekomst? Maak kennis met de Niven-ring, een stad zo groot als een planeet en nog veel meer.

De Niven-ring, een ring die de omloopbaan van de aarde beslaat, is slechts een van de ideeën vopor megastructuren die aan de orde komen.
De Niven-ring, een ring die de omloopbaan van de aarde beslaat, is slechts een van de ideeën voor megastructuren die aan de orde komen. Bron: Eric M. Jones – Eigen werk, CC BY-SA 4.0 (Wikimedia Commons)

Een ringwereld, of Niven-ring, is een ring die de omloopbaan van een planeet in de bewoonbare zone van een ster, zoals de aarde, beslaat. In theorie zou hiermee een enorme hoeveelheid oppervlakte er bij komen. Denk dan aan een miljoen aardes. De binnenkant van de ring kan je bekleden met oceanen, gebergten en vlakten. De hoeveelheid mensen die hierop kunnen wonen zou letterlijk astronomisch zijn. Vergelijk dit met bijvoorbeeld de Alderson Schijf.

De krachten die op een dergelijke ring zouden komen te staan, zouden enorm zijn. Kunstmatige zwaartekracht is in theorie op te wekken door die ring rond te laten draaien, maar dat betekent dan wel, dat die ring elke 3,6 dagen rond moet tollen. Dat is, omgerekend, rond de 1% van de lichtsnelheid.

Dat betekent, dat elke meteoriet van een ton die deze ring raakt, met de kracht van een atoombom inslaat. Plus, natuurlijk het probleempje dat er geen materiaal bekend is dat deze enorme krachten aan kan.

Niven-ring van unobtainium

In Larry Niven’s Ringwereld-serie is deze enorme ring gemaakt van een vorm van unobtainium, door hem scrith genoemd. Scrith blijft bijeen door de sterke kernkracht. Die inderdaad op zeer kleine afstanden de sterkste kracht is die we kennen en in principe in staat is een dergelijke ring te ondersteunen. Ware het niet, dat quarks, de deeltjes waar deze kracht op werkt, onmiddelijk een quark-antiquark paar vormen als de sterke kernkracht tussen deeltjes te groot wordt. Dit maakt het maken van een scrith-achtig materiaal op zijn zachtst gezegd, uitdagend.

Hoewel Niven prachtige SF-boeken schreef, is de naar hem beschreven Niven-ring daarom in de toekomst waarschijnlijk wat minder populair. Zelfs als we ooit een goedje zoals scrith kunnen ontwikkelen.

Het complex in vogelvlucht. Bron: Janghogroup.com

Video: grootste gebouw ter wereld zo groot als Monaco

Het New Century Global Centre in de Chinese stad Chengdu biedt 1,76 vierkante kilometer vermaak, kantoorruimte en indoor parken. Naast het ledigen van de portemonnee kunnen de 14 miljoen inwoners van Chengdu aan een 400 meter lang palmenstrand liggen, of met een kano 500 meter lange stroomversnellingen doorworstelen. Het complex is bijna zo groot als een klein land zoals Monaco.
In de video hieronder een indruk van het megaproject.

Chengdu wordt al jaren geteisterd door ernstige luchtvervuiling, omdat het grootste deel van de Chinese electriciteit met zeer vervuilende steenkool wordt opgewekt. Een belangrijke trekpleister voor het enorme gebouw zal daarom frisse lucht zijn.

Het complex in vogelvlucht. Bron: Janghogroup.com
Het complex in vogelvlucht. Bron: Janghogroup.com

Kleine zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van Neptunus, zijn zo groot als een voetbal en daarmee onzichtbaar van grote afstand.

Hoe maak je een zwart gat? De (misschien) ultieme handleiding

Een zwart gat is erg handig.  Je ziet je afval nooit meer terug en krijgt er nog veel energie voor terug ook. Volgens sommige theorieën kan je zelfs via een wormgat reizen. Maar hoe maak je een zwart gat?

Zwarte gaten: energie uit afval
Op het eerste gezicht lijkt het een krankzinnig idee. Wie gaat er een allesvernietigend monster bouwen dat alles waar het mee in aanraking komt, opslokt? Wel, misschien onze nazaten. Een zwart gat is namelijk de efficiëntst denkbare energiecentrale die we op dit moment kennen.

Kleine zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van Neptunus, zijn zo groot als een voetbal en daarmee onzichtbaar van grote afstand.
Kleine zwarte gaten, bijvoorbeeld met de massa van Neptunus, zijn zo groot als een voetbal en daarmee onzichtbaar van grote afstand. – Wikimedia Commons

Een gedachtenexperiment. Stel dat je een lift met een gewicht laat zakken tot op de waarnemingshorizon van een zwart gat. Dan kan je in principe de energie die dat oplevert, aftappen met een dynamo. Dit is in principe ongeveer 6% (een stilstaand zwart gat) tot 42% (een roterend zwart gat) van de hoeveelheid energie die in de massa besloten ligt. Met andere woorden: een zwart gat is een praktische manier om massa in nuttige energie om te zetten. Een zwart-gat energiecentrale met 42% rendement zou in de complete energiebehoefte van de wereld – van oceaanstomer tot gloeilamp – kunnen voorzien door er per jaar 12 ton massa in te gooien. Inderdaad. Massa. Zwarte gaten zijn niet kieskeurig. Wel moet je uiteraard voorkomen dat je zwarte gat ontsnapt. Want zie het dan maar weer eens terug te krijgen…

 

Interessant, maar hoe maak je een zwart gat?
Je moet dan heel veel materie in een klein volume samenpersen. Om een indruk te geven: als je een zonsmassa in een bol met drie kilometer doorsnede samenperst, ontstaat een zwart gat. Hoe groter het zwarte gat, hoe makkelijker. Tien zonsmassa’s, bijvoorbeeld, kunnen in een bol van dertig kilometer doorsnede worden samengeperst, met duizend keer zoveel volume. De massa van het melkwegstelsel samengeperst, 100 miljard zonsmassa’s, zou een zwart gat zo groot als ons zonnestelsel opleveren.

Veel massa op elkaar stapelen
De meest voor de hand liggende methode is dus maar genoeg massa op een hoop te gooien. Op een gegeven moment stort het vanzelf in elkaar tot een zwart gat. Dit gebeurt in uitgebrande sterren. We weten uit berekeningen dat een neutronenster van meer dan drie zonsmassa’s onvermijdelijk moet instorten tot een zwart gat, of  wellicht een quarkster (en dan bij een iets hogere massa alsnog een zwart gat). Helaas is er een probleempje. Als je massa sterk samenperst, en dat gebeurt als je er heel veel van verzamelt, krijg je kernfusie. Je maakt zo eigenlijk een ster. Een ster levert stralingsdruk, waardoor de massa niet meer in elkaar gaat klappen. Weg zwarte gat. Of sterker: de protoster ontploft direct.

Zware sterren veranderen pas in een zwart gat als de materie totaal opgebrand is. Je praat dan over massief ijzer en nikkel, want uit alle andere atoomkernen is nog energie te halen door ze te splitsen of samen te voegen. je zou dus meer dan drie zonsmassa’s aan ijzer en nikkel bij elkaar moeten gooien. Duidelijk niet erg praktisch. Het is dan slimmer zelf naar een bestaand zwart gat te reizen.

Massa sterk samenpersen
Een tweede oplossing is een kleinere hoeveelheid massa met een bolvormige drukgolf naar binnen persen. Iets dergelijks gebeurt in een waterstofbom: die gebruikt een splijtingsbom als ontsteker. Daardoor wordt het deuterium en tritium (zware vormen van waterstof) zo sterk samengeperst dat kernfusie ontstaat, wat weer voor meer neutronen zorgt om het uranium te laten splijten.

Iets dergelijks zou je ook op grotere schaal kunnen doen. Om een zwart gat met de massa van Jupiter te maken, moet je die massa samenpersen in een bol van ongeveer drie meter doorsnede. In theorie is dit te doen, als je over wat superaardes van massief uranium beschikt, maar een dergelijk zwart gat zou weinig overlaten van de aarde. Waarschijnlijk wil je een kleinere afmeting, iets met de massa van een grote asteroïde bijvoorbeeld. Hiervoor zou je in theorie ook de lichtenergie van de zon kunnen gebruiken. Daarvoor moet je al het zonlicht door middel van enorm veel spiegels samen laten komen in één punt. De zon heeft een vermogen van 4.1 × 1026 W, overeenkomend met 3,15 × 1018 N stralingskracht via het Poyntingeffect. Druk is kracht per oppervlakte. Hoe kleiner je oppervlakte, hoe groter je druk als de kracht gelijk blijft. In theorie kan je dus zo materie met behulp van licht samenpersen, als het beginvolume (en dus oppervlak) maar klein genoeg is. Op dit moment wordt deze techniek gebruikt om kernfusie te bereiken. Je kan op deze manier in principe ook voldoende druk opwekken om materie zo sterk samen te persen dat een waarnemingshorizon ontstaat. Maar wacht. Als je toch al over zoveel energie beschikt, kan je ook wel… Inderdaad ja…

Deeltjes heel veel energie geven
In principe kan je een deeltje ook heel veel energie geven. Als een puntdeeltje meer massa heeft dan de zogeheten Planckmassa, 21,8 microgram, vormt zich automatisch een waarnemingshorizon. Sommige mensen denken dat de LHC op die manier micro-zwarte gaten produceert. In feite is dit onzin, we hebben kosmische straling gevonden die zo energierijk is dat deze de LHC miljoenen malen overtreft. En zelfs dit is nog lang niet genoeg om de Plancklimiet te kraken. Daarvoor zou nog tienduizend maal zoveel energie moeten worden toegevoerd. Helaas (of liever gezegd: gelukkig) vallen micro-zwarte gaten heel snel uit elkaar door Hawkingstraling. Erg lang plezier heb je dus niet van je micro-zwarte gat. Maar toch. Heel, heel misschien heeft Hawking geen gelijk…

OK, zwarte gaten maken heeft dus niet zoveel zin. Maar ik wil wel bijna gratis energie uit een zwart gat. Wat nu?
Volgens sommige kosmologische theorieën zijn er de nodige micro-zwarte gaten aan de zwerf in het heelal. Deze zwarte gaten vormden zich vlak na de Big Bang en zwerven nu door het heelal. Af en toe verdampt er een door het Hawkingeffect, wat waar te nemen zou zijn als een gammauitbarsting. Inderdaad zijn er enkele -omstreden- aanwijzingen gevonden dat dergelijke gammauitbarstingen zich voordoen. Als we een dergelijk mini-zwart gat kunnen vangen en in een baan om de aarde brengen, hebben we een overvloedige bron van energie. Er zijn al verschillende manieren bedacht om deze mini-zwarte gaten te vinden. En zullen er in de toekomst nog wel meer ideeën bedacht worden. Het is ook goed mogelijk dat Planeet Negen bestaat, en onzichtbaar is vanaf de aarde omdat het een zwart gat is. Dus de kans is aanwezig dat we op een dag onze energierekening met gevaarlijk afval betalen…

Met de lift naar de ruimte. Als het aan Japan ligt, komt het ooit zover.

Space elevator: lift van 38.000 km hoog

Je staat vlakbij het grondstation van de tienduizenden kilometers hoge ruimtelift. De vochtige tropische lucht op het paradijselijke Hawaiiaanse eiland Oahu voert zware bloemengeuren met zich mee. Recht naar boven zie je de absurd dunne liftkabel recht naar boven gaan en verdwijnen in de nevelige avondlucht. Flonkeringen zetten de onzichtbare rechte lijn voort. De kabel is zo lang dat er altijd wel een stukje zonlicht richting jou weerkaatst.  Je haast je naar binnen. De veiligheidsmaatregelen zijn streng en je vertrek is over een uur of twee. Dan is het eindelijk zover. Voor het eerst in je leven verlaat je de aarde. Het grondstation verdwijnt in de schaduw van de nacht. Dan, op honderden kilometers hoogte, wordt de zon weer zichtbaar: een adembenemend gezicht. De aarde heeft een duidelijke bolvorm gekregen.

Wat is een ruimtelift?
Het principe van een ruimtelift is simpel. Bouw een kabel, zo hoog dat deze reikt tot een geostationaire omloopbaan: 36.000 kilometer boven het aardoppervlak. Nog langer is nog beter: zo trekt het extra stuk kabel de rest omhoog.

Met de lift naar de ruimte. Als het aan Japan ligt, komt het ooit zover.
Met de lift naar de ruimte. Als het aan Japan ligt, komt het ooit zover.

Bij iedere hoogte hoort een bepaalde baansnelheid: de baansnelheid waarop de middelpuntvliegende kracht precies de zwaartekracht opheft.
De geostationaire omloopbaan is de hoogte waarop bijvoorbeeld satellieten in precies 24 uur rond de aarde draaien. Het gevolg hiervan is dat ze boven het aardoppervlak stil lijken te staan. De reden dat communicatiesatellieten doorgaans in een geostationaire omloopbaan worden geparkeerd. Voor een ruimtelift is een stilstaande kabel uiteraard een absolute noodzaak. De centrifugale pseudokracht trekt de kabel omhoog en houdt op die manier de kabel in evenwicht.
Het idee voor een ruimtelift is niet nieuw: de visionaire ruimtevaartpionier Konstantin Tsiolkovski stelde begin twintigste eeuw al voor een 36.000 kilometer hoge toren te bouwen.
Het grootste technische probleem is het vinden van een materiaal dat sterk genoeg is om tienduizenden kilometers van zijn eigen gewicht overeind te houden. Tot nu toe werd dit materiaal spottend ‘unobtainium’ genoemd, maar met de ontdekking van koolstof nanobuisjes is er nu een reële kandidaat.

Wat is het voordeel van een ruimtelift?
Een ruimtelift kan ruimtevaart honderden malen goedkoper maken. Het probleem met raketten is dat elke kilo brandstof omhoog moet worden gesleept. Het resultaat is dat maar een paar procent van een raket uit nuttige lading bestaat. Elke kilogram nuttige lading in een raket naar, zeg, de maan, kost zelfs bij de efficiëntste raketten tientallen kilo’s brandstof. Praktijkvoorbeeld: tijdens de Apollo-missies naar de maan moest een enorme Saturnus V raket 3 miljoen kg brandstof verstoken om 45.000 kg lading naar de maan te transporteren (1,5% nuttige lading dus). Bij een ruimtelift komt elke joule energie (in de vorm van elektriciteit, bijvoorbeeld) terecht in de voortstuwing.
Een ruimtelift is ook veiliger. Een raket kan je het beste vergelijken met een enorme chemische bom. Eén lek en er ontstaat een enorme explosie. Als een raket eenmaal is begonnen met branden is er niets meer dat de ontbranding kan stoppen tot de raket uitgebrand is.

Waarom is er dan nog geen ruimtelift?
Er is nu inderdaad een materiaal dat in staat is de vereiste trekkracht te leveren. De investeringskosten zijn hoog, maar naar ruimtevaartbegrippen redelijk: vijf tot tien miljard euro. De kosten van een enkele ruimtetelescoop. Geen onoverkomelijk bedrag om de ruimte definitief mee open te leggen, een schijntje vergeleken met wat het kost om een bank te ‘redden’ of een oorlog.

Hoog boven de aarde hangt dit station, de eindbestemming van de lift
Hoog boven de aarde hangt dit station, de eindbestemming van de lift

Het voornaamste technische probleem is op dit moment het spinnen van een 38.000 km lange liftkabel. De allerlangste koolstofnanovezels ooit gefabriceerd halen 18 cm. In principe kunnen deze in elkaar gevlochten worden tot een liftkabel, maar door de korte lengte betekent dat een aanzienlijk verlies aan trekkracht. Eerst zal dus een procédé moeten worden ontwikkeld om nanovezels van honderden meters lang of meer te ontwikkelen.
Een tweede probleem is bescherming tegen de dodelijke straling in de Van Allen-gordels, de gebieden waar het aardse magneetveld botst met dat van de zon. In de Van Allen gordels worden geladen deeltjes sterk versneld. Onbeschermd loopt een persoon al in een paar dagen acute stralingsziekte op. Dit is in principe op te lossen met een elektromagnetisch schild.

Japanse plannen
In Japan vallen visionaire ideeën meer in de smaak dan in meer kortzichtige landen zoals die in Europa of de VS. Toen het door de Amerikanen dr. Brad  Edwards en Philip Ragan geschreven boek “Leaving the Planet by Space Elevator” in het Japans werd vertaald, kwam het dan ook direct in de Japanse bestsellerlijst terecht. Er is nu een vereniging actief die zich bezig houdt met het voorbereiden van de bouw van een ruimtelift. De Japanse overheid heeft al een intentieverklaring voor de bouw opgesteld.