Sinds het begin van het ruimtetijdperk vertrouwden mensen op chemische raketten om de ruimte in te komen. Hoewel deze methode zeker effectief is, is hij ook erg duur en vereist hij een aanzienlijke hoeveelheid middelen. Als we kijken naar efficiëntere manieren om de ruimte in te gaan, moet je je afvragen of soortgelijk ontwikkelde soorten op andere planeten (waar de omstandigheden anders zouden zijn) zouden vertrouwen op vergelijkbare methoden.
Harvard Professor Abraham Loeb en Michael Hippke, een onafhankelijke onderzoeker verbonden aan de Sonneberg Observatory, behandelden beiden deze vraag in twee recentelijk verschenen artikelen. Terwijl prof.Loeb kijkt naar de uitdagingen die buitenaardse wezens zouden tegenkomen bij het lanceren van raketten vanuit Proxima b, overweegt Hippke of aliens die op een superaarde leven de ruimte in kunnen komen.
De papieren, betegeld "Interstellaire ontsnapping uit Proxima b is nauwelijks mogelijk met chemische raketten" en "Ruimtevlucht uit superaarde is moeilijk" verschenen onlangs online en werden respectievelijk geschreven door prof. Loeb en Hippke. Terwijl Loeb de uitdagingen aanpakt van chemische raketten die uit Proxima b ontsnappen, overweegt Hippke of dezelfde raketten überhaupt de ontsnappingssnelheid kunnen bereiken.
Omwille van zijn studie overwoog Loeb hoe wij mensen het geluk hebben om op een planeet te leven die zeer geschikt is voor lanceringen in de ruimte. Als een raket moet ontsnappen uit het aardoppervlak en de ruimte moet bereiken, moet hij in wezen een ontsnappingssnelheid van 11,186 km / s (40,270 km / h; 25,020 mph) bereiken. Evenzo is de ontsnappingssnelheid die nodig is om weg te komen van de locatie van de aarde rond de zon ongeveer 42 km / s (151.200 km / h; 93.951 mph).
Zoals Prof. Loeb via e-mail aan Space Magazine vertelde:
“Chemische voortstuwing vereist een brandstofmassa die exponentieel toeneemt met de eindsnelheid. Gelukkig is de ontsnappingssnelheid van de baan van de aarde rond de zon gelukkig beperkt door chemische raketten. Maar de bewoonbare zone rond zwakkere sterren is dichterbij, waardoor het voor chemische raketten veel moeilijker is om te ontsnappen uit de diepere gravitatiekuil daar. '
Zoals Loeb in zijn essay aangeeft, schaalt de ontsnappingssnelheid als de vierkantswortel van de stellaire massa over de afstand van de ster, wat impliceert dat de ontsnappingssnelheid van de bewoonbare zone omgekeerd schaalt met de stellaire massa tot de macht van een kwart. Voor planeten zoals de aarde, die cirkelen binnen de bewoonbare zone van een G-type (gele dwerg) ster zoals onze zon, werkt dit vrij lang.
Helaas werkt dit niet goed voor terrestrische planeten die in een baan rond M-type (rode dwerg) sterren met een lagere massa draaien. Deze sterren zijn het meest voorkomende type in het heelal en vertegenwoordigen alleen al 75% van de sterren in het Melkwegstelsel. Bovendien hebben recente exoplanetenonderzoeken een overvloed aan rotsachtige planeten ontdekt die in een baan om rode dwergsterrensystemen draaien, waarbij sommige wetenschappers het wagen dat ze de meest waarschijnlijke plaats zijn om potentieel bewoonbare rotsplaneten te vinden.
Met de dichtstbijzijnde ster als voorbeeld (Proxima Centauri), legt Loeb uit hoe het voor een raket die chemische drijfgassen gebruikt veel moeilijker zou zijn om de ontsnappingssnelheid te bereiken van een planeet in de bewoonbare zone.
"De ster die het dichtst bij de zon staat, Proxima Centauri, is een voorbeeld voor een zwakke ster met slechts 12% van de massa van de zon", zei hij. “Een paar jaar geleden werd ontdekt dat deze ster een planeet ter grootte van de aarde, Proxima b, in zijn bewoonbare zone heeft, die 20 keer dichterbij is dan de scheiding van de aarde en de zon. Op die locatie is de ontsnappingssnelheid 50% groter dan vanuit de baan van de aarde rond de zon. Een beschaving op Proxima b zal het moeilijk vinden om met chemische raketten van hun locatie naar de interstellaire ruimte te ontsnappen. ”
Het artikel van Hippke begint daarentegen met de overweging dat de aarde misschien niet het meest bewoonbare type planeet in ons universum is. Zo zouden planeten die zwaarder zijn dan de aarde een hogere zwaartekracht aan het oppervlak hebben, wat betekent dat ze een dikkere atmosfeer kunnen vasthouden, wat een betere afscherming zou bieden tegen schadelijke kosmische straling en zonnestraling.
Bovendien zou een planeet met een hogere zwaartekracht een vlakkere topografie hebben, wat resulteert in archipels in plaats van continenten en ondiepere oceanen - een ideale situatie als het gaat om biodiversiteit. Als het echter om raketlanceringen gaat, zou een grotere zwaartekracht aan het oppervlak ook een hogere ontsnappingssnelheid betekenen. Zoals Hippke in zijn studie aangaf:
"Raketten hebben last van de vergelijking van Tsiolkovsky (1903): als een raket zijn eigen brandstof vervoert, is de verhouding tussen totale raketmassa en eindsnelheid een exponentiële functie, waardoor hoge snelheden (of zware ladingen) steeds duurder worden."
Ter vergelijking: Hippke gebruikt Kepler-20 b, een superaarde op 950 lichtjaar afstand van 1,6 maal de straal van de aarde en 9,7 maal de massa. Terwijl de ontsnappingssnelheid van de aarde ongeveer 11 km / s is, zou een raket die probeert een superaarde vergelijkbaar met Kepler-20 b te verlaten, een ontsnappingssnelheid van ~ 27,1 km / s moeten bereiken. Als gevolg hiervan zou een eentrapsraket op Kepler-20 b 104 keer zoveel brandstof moeten verbranden als een raket op aarde om in een baan om de aarde te komen.
Om het in perspectief te plaatsen, overweegt Hippke specifieke ladingen die vanaf de aarde worden gelanceerd. "Om een nuttig nuttig laadvermogen van 6,2 ton op te heffen zoals vereist voor de James Webb-ruimtetelescoop op de Kepler-20 b, zou de brandstofmassa toenemen tot 55.000 ton, ongeveer de massa van de grootste oceaanslagschepen", schrijft hij. "Voor een klassieke Apollo-maanmissie (45 t) zou de raket aanzienlijk groter moeten zijn, ~ 400.000 ton."
Hoewel de analyse van Hippke concludeert dat chemische raketten nog steeds ontsnappingssnelheden op superaardes tot 10 aardmassa's mogelijk zouden maken, maakt de hoeveelheid benodigde drijfgas deze methode onpraktisch. Zoals Hippke opmerkte, kan dit een ernstig effect hebben op de ontwikkeling van een buitenaardse beschaving.
"Ik ben verrast om te zien hoe dicht wij als mensen zijn om op een planeet te komen die nog steeds redelijk licht is om een ruimtevlucht uit te voeren," zei hij. 'Andere beschavingen, als ze bestaan, hebben misschien niet zoveel geluk. Op grotere planeten zou een ruimtevlucht exponentieel duurder zijn. Dergelijke beschavingen zouden geen satelliet-tv, een maanmissie of een Hubble-ruimtetelescoop hebben. Dit zou hun manier van ontwikkelen moeten veranderen op bepaalde manieren die we nu in meer detail kunnen analyseren. ”
Beide documenten hebben een aantal duidelijke implicaties als het gaat om het zoeken naar buitenaardse intelligentie (SETI). Om te beginnen betekent dit dat beschavingen op planeten die in een baan om rode dwergsterren of superaardeën draaien, minder snel ruimtevarend zijn, wat de detectie ervan moeilijker zou maken. Het geeft ook aan dat als het gaat om de soort voortstuwing waarmee de mensheid bekend is, we misschien in de minderheid zijn.
"Bovenstaande resultaten impliceren dat chemische voortstuwing een beperkte bruikbaarheid heeft, dus het zou logisch zijn om te zoeken naar signalen die verband houden met lichtzeilen of nucleaire motoren, vooral in de buurt van dwergsterren," zei Loeb. 'Maar er zijn ook interessante implicaties voor de toekomst van onze eigen beschaving.'
"Een gevolg van het papier is voor ruimtekolonisatie en SETI", voegde Hippke toe. 'Civs van Super-Earths zullen de sterren veel minder snel verkennen. In plaats daarvan zouden ze (tot op zekere hoogte) "gearresteerd" worden op hun thuisplaneet, en b.v. maak meer gebruik van lasers of radiotelescopen voor interstellaire communicatie in plaats van sondes of ruimteschepen te sturen. ”
Zowel Loeb als Hippke merken echter ook op dat buitenaardse beschavingen deze uitdagingen zouden kunnen aanpakken door andere voortstuwingsmethoden toe te passen. Uiteindelijk kan chemische voortstuwing iets zijn dat maar weinig technologisch geavanceerde soorten zouden aannemen, omdat het voor hen gewoon niet praktisch is. Zoals Loeb uitlegde:
“Een geavanceerde buitenaardse beschaving zou andere voortstuwingsmethoden kunnen gebruiken, zoals nucleaire motoren of lichtzeilen die niet worden beperkt door dezelfde beperkingen als chemische voortstuwing en die snelheden tot een tiende van de lichtsnelheid kunnen bereiken. Onze beschaving ontwikkelt momenteel deze alternatieve voortstuwingstechnologieën, maar deze inspanningen staan nog in de kinderschoenen. ”
Een voorbeeld hiervan is Breakthrough Starshot, dat momenteel wordt ontwikkeld door de Breakthrough Prize Foundation (waarvan Loeb de voorzitter is van de Adviescommissie). Dit initiatief heeft tot doel een lasergestuurd lichtzeil te gebruiken om een nanocraft te versnellen tot een snelheid van 20% van de lichtsnelheid, waardoor het in slechts 20 jaar tijd naar Proxima Centauri kan reizen.
Hippke beschouwt op dezelfde manier atoomraketten als een haalbare mogelijkheid, aangezien een grotere zwaartekracht aan het oppervlak ook zou betekenen dat ruimteliften onpraktisch zouden zijn. Loeb gaf ook aan dat de beperkingen die door planeten worden opgelegd rond sterren met een lage massa gevolgen kunnen hebben voor wanneer mensen het bekende heelal proberen te koloniseren:
'Als de zon voldoende zal opwarmen om al het water van de aardbodem te koken, kunnen we tegen die tijd verhuizen naar een nieuw huis. Enkele van de meest wenselijke bestemmingen zijn systemen van meerdere planeten rond sterren met een lage massa, zoals de nabijgelegen dwergster TRAPPIST-1, die 9% van een zonnemassa weegt en zeven planeten ter grootte van de aarde herbergt. Als we eenmaal in de bewoonbare zone van TRAPPIST-1 zijn, zou er geen haast zijn om te ontsnappen. Zulke sterren verbranden zo langzaam waterstof dat ze ons tien biljoen jaar warm zouden kunnen houden, ongeveer duizend keer langer dan de levensduur van de zon. '
Maar in de tussentijd kunnen we gerust zijn in de wetenschap dat we op een bewoonbare planeet rond een gele dwergster leven, die ons niet alleen leven geeft, maar ook de mogelijkheid om de ruimte in te gaan en te verkennen. Zoals altijd, als het gaat om het zoeken naar tekenen van buitenaards leven in ons universum, worden wij mensen gedwongen om de 'laaghangende fruitbenadering' te kiezen.
Kortom, de enige planeet die we kennen die het leven ondersteunt, is de aarde, en de enige manier om de ruimte te verkennen waar we naar op zoek zijn, zijn degenen die we zelf hebben uitgeprobeerd en getest. Als gevolg hiervan zijn we enigszins beperkt als het gaat om het zoeken naar biosignaturen (d.w.z. planeten met vloeibaar water, zuurstof en stikstofatmosferen, enz.) Of technosignaturen (d.w.z. radio-uitzendingen, chemische raketten, enz.).
Naarmate ons begrip van de omstandigheden waarin het leven kan ontstaan, toeneemt en onze eigen technologie zich ontwikkelt, zullen we meer moeten uitkijken. En hopelijk zal het buitenaards leven, ondanks de extra uitdagingen waarmee het wordt geconfronteerd, ons zoeken!
Het essay van professor Loeb is onlangs ook gepubliceerd in Scientific American.
