De droom om naar een ander sterrenstelsel te reizen, en misschien zelfs daar bevolkte werelden te vinden, is er een die de mensheid al generaties lang bezighoudt. Maar het was pas in het tijdperk van ruimteverkenning dat wetenschappers verschillende methoden voor het maken van een interstellaire reis hebben kunnen onderzoeken. Hoewel er in de loop der jaren veel theoretische ontwerpen zijn voorgesteld, is er de laatste tijd veel aandacht besteed aan door laser aangedreven interstellaire sondes.
De eerste conceptuele ontwerpstudie, bekend als Project Dragonfly, werd georganiseerd door het Initiative for Interstellar Studies (i4iS) in 2013. Het concept riep op tot het gebruik van lasers om een licht zeil en ruimtevaartuig te versnellen tot 5% van de lichtsnelheid, waardoor Alpha werd bereikt Centauri in ongeveer een eeuw. In een recent artikel heeft een van de teams die hebben deelgenomen aan de ontwerpwedstrijd de haalbaarheid beoordeeld van hun voorstel voor een lichtzeil en een magnetisch zeil.
Het artikel, getiteld "Project Dragonfly: Sail to the stars", is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Astra Astronautica. De studie werd geleid door Tobias Häfner, afgestudeerd aan de Université Paul Sabatier (UPS) Toulouse en een huidige systeemingenieur bij Open Cosmos Ltd. Hij werd vergezeld door leden van Oxford Space Systems, de Graduate University for Advanced Studies (SOKENDAI), en AKKA Technologies.
Als het gaat om interstellaire missieconcepten, is een van de grootste struikelblokken altijd de reistijd geweest. Zoals we in een vorig artikel hebben laten zien, zou het tussen de 1.000 en 81.000 jaar duren om met de huidige technologie Alpha Centauri te bereiken. Hoewel er verschillende theoretische methoden bestaan die kortere reistijden zouden kunnen bieden, hebben ze betrekking op natuurkunde die nog moet worden bewezen of die onbetaalbaar zou zijn.
Vandaar de aantrekkingskracht van een lichtzeil, dat profiteert van recente ontwikkelingen in miniaturisatie om een kleiner en goedkoper ruimtevaartuig te creëren. Een ander voordeel, althans theoretisch, is dat een dergelijk ruimtevaartuig zou kunnen worden versneld tot een fractie van de lichtsnelheid, en daarom de enorme afstand tussen ons zonnestelsel en de dichtstbijzijnde ster in enkele decennia of een enkele eeuw zou kunnen overbruggen .
Zoals opgemerkt, lanceerde de i4iS - een vrijwilligersorganisatie die zich inzet om interstellaire ruimtevaart in de nabije toekomst mogelijk te maken - in 2013 de eerste conceptuele ontwerpstudie voor lichtzeilen. Deze werd in 2014 gevolgd door een wedstrijd om een ruimtevaartuig te ontwerpen dat in staat zijn om Alpha Centauri binnen 100 jaar te bereiken met behulp van bestaande of kortetermijntechnologieën.
De vier finalisten presenteerden hun ontwerpen tijdens een workshop in juli 2015 in de British Interplanetary Society. Het concept van het team van de Technische Universiteit van München won, die vervolgens een Kickstarter-campagne lanceerden om geld in te zamelen voor hun ontwerp. Het ontwerp van het team van de University of California, San Diego, is vervolgens geëvolueerd naar het ontwerp voor Breakthrough Initiatives 'Breakthrough Starshot.
Hoofdauteur Hafner en zijn collega's maakten deel uit van team CranSEDS, dat bestond uit ingenieurs en wetenschappers van Cranfield University in het VK, het Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) in Rusland en UPS in Frankrijk. In deze laatste studie presenteerden hij en enkele van zijn voormalige teamleden hun missieconcept als onderdeel van een haalbaarheidsstudie.
Omwille van deze studie hebben ze elk aspect van de missiearchitectuur van een lichtzeil bekeken. Dit varieerde van de grootte van het zeil, de materialen die zijn gebruikt om het te bouwen, de grootte van de laseropening, de positionering van de laser, het gewicht van het ruimtevaartuig en de methode die het ruimtevaartuig gebruikte om te vertragen zodra het zijn bestemming naderde.
Uiteindelijk pleitte de missiearchitectuur die ze bedachten voor het gebruik van 100 GW aan laservermogen om een ruimtevaartuig van 2750 kg (~ 6000 lbs) te versnellen tot 5% van de lichtsnelheid - wat resulteerde in een reistijd van ongeveer een eeuw tot Alpha Centauri. Het zeil zou zijn samengesteld uit een monolaag van grafeen met een diameter van 29,4 km (18,26 mi), waardoor een laser met een diafragma van 29,4 km (18,26 mi) nodig was.
Deze laser zou in de buurt van de zon worden geplaatst (ofwel op het aarde-zon L1 Lagrange-punt of in de baan van Cislunar) en zou worden aangedreven door enorme zonnepanelen. Om te vertragen, zou het ruimtevaartuig het lichte zeil afwerpen en een magnetisch zeil bestaande uit metalen draden inzetten. Dit zeil zou een lusstructuur vormen met een diameter van ongeveer 35 km (22 mijl) en een gewicht van 1000 kg (2200 lbs).
Eenmaal ingezet zou het magnetische zeil plasma van het interstellaire medium en zonnewind van Alpha Centauri onderscheppen om te vertragen en het systeem binnen te gaan. Deze architectuur, zo concluderen ze, zou een evenwicht tussen massa en snelheid bereiken, de missie in staat stellen om Alpha Centauri in iets meer dan 100 jaar te bereiken, en bij aankomst wetenschappelijke operaties uitvoeren.
Zoals ze in hun studie aangeven, biedt dit type missie-architectuur vele voordelen, niet in het minst het feit dat een groter ruimtevaartuig meer instrumenten zou kunnen vervoeren en meer wetenschappelijke gegevens zou verzamelen dan een ruimtevaartuig op gramschaal (zoals bij Breakthrough Starshot's StarChip). Zoals ze concludeerden:
"Zowel [laser- als magnetische zeilen] hebben het voordeel dat er geen drijfgas in het ruimtevaartuig hoeft te worden vervoerd ... De missie is gebaseerd op technologieën die momenteel beschikbaar zijn of in ontwikkeling zijn, maar zou uitgebreide verbeteringen nodig hebben om daadwerkelijk de vereiste ruimte-infrastructuur te bouwen ... Met Het lasersysteem is een baseline voor missies met meerdere ruimtevaartuigen en wordt gedurende een redelijke periode gebruikt. Geleerde lessen en gegevens verzameld uit het eerste ruimtevaartuig kunnen worden gebruikt om de volgende te verbeteren. ”
Ze erkennen ook de uitdagingen die een dergelijke missie met zich meebrengt, waaronder de behoefte aan constructies ter grootte van kilometers in de ruimte. Dergelijke constructies zouden in een baan om de aarde moeten worden gebouwd, waarvoor eerst de ontwikkeling van installaties voor orbitale fabricage vereist is. En natuurlijk zullen de laser en andere cruciale systemen verder moeten worden verfijnd en ontwikkeld. Desalniettemin is het concept volgens hun studie haalbaar en technisch verantwoord.
Sommigen hebben echter hun twijfels. Zo is er Dr. Claudius Gros, een theoretisch natuurkundige van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de Goethe-universiteit in Frankfurt. Gros is al lang een voorstander van het gebruik van laserzeiltechnologie om een interstellair ruimtevaartuig te bouwen, en heeft theoretisch onderzoek gedaan naar het gebruik van magnetische zeilen om zo'n ruimtevaartuig te vertragen.
Hij is ook de oprichter van Project Genesis, een voorstel om met laserzeilen aangedreven ruimtevaartuigen uitgerust met genfabrieken of cryogene pods naar andere sterrenstelsels te sturen, waar ze het microbiële leven zouden verdelen naar 'tijdelijk bewoonbare exoplaneten - dwz planeten die het leven kunnen ondersteunen, maar waarschijnlijk niet alleen veroorzaken. Zoals hij via e-mail aan Space Magazine zei:
“Wat betreft de vertraging met een magnetisch veld, dat is eigenlijk niet mogelijk binnen de aangenomen parameters. Er zou een magnetisch zeil van enkele honderden tonnen voor nodig zijn om het werk te doen wanneer het vaartuig met 5% van de lichtsnelheid vaart en wanneer het binnen 20 jaar tot stilstand moet komen, zoals in dit document wordt aangenomen. Om zo'n zwaar vaartuig te versnellen, zouden veel sterkere lanceersystemen nodig zijn. ”
Het concept om lasers of zonnezeilen te gebruiken om interstellaire missies uit te voeren, heeft diepe wortels. Het is echter pas in de afgelopen jaren dat de inspanningen om zo'n ruimtevaartuig te maken echt zijn samengekomen. Op dit moment zijn er veel concepten die verschillende missies-architecturen bieden, die allemaal hun deel van uitdagingen en voordelen hebben.
Met meerdere voorstellen die nu in ontwikkeling zijn - waaronder het voorstel van Haefner en zijn collega's, het Dragonfly-concept van de ii4S en Doorbraak Starshot - het zal erg interessant zijn om te zien welke (indien aanwezig) van de huidige lichtzeilconcepten de reis naar Alpha Centauri de komende decennia zullen proberen te maken.
Zal het er een zijn die binnen onze levens komt, of een die in staat is om meer terug te sturen op het gebied van wetenschappelijke gegevens? Of zou het een combinatie van beide kunnen zijn, een soort deal op korte / lange termijn? Moeilijk te zeggen. Het punt is dat de droom om een interstellaire missie op te zetten misschien niet lang meer een droom blijft.
