Vergeet de Enterprise en Voyager. Echte interstellaire ruimteschepen zullen er héél anders uitzien en bovendien continu veranderen.

Op dit moment zijn we nog druk bezig met het verkennen van ons eigen zonnestelsel. En het moet worden toegegeven: daar valt ook nog genoeg te ontdekken. Maar het lijkt een kwestie van tijd voor we het verderop gaan zoeken; de interstellaire ruimte lonkt. Voor een reis naar andere sterren hebben we echter heel andere ruimteschepen nodig dan de exemplaren die we nu of in de nabije toekomst gebruiken om naar het ISS, de maan en Mars te reizen. Grote vraag is natuurlijk hoe zo’n interstellair ruimteschip er dan precies uit moet zien. Een onderzoeksgroep aan de TU Delft doet daar, onder leiding van Angelo Vermeulen, momenteel onderzoek naar. De studie zal niet resulteren in de bouw van zo’n sterrenschip of het ontwikkelen van de benodigde hardware, maar stevent af op een conceptueel ontwerp waar de eerste interstellaire reizigers over enkele decennia of in de loop van de volgende eeuw wellicht hun voordeel mee kunnen doen.

Apollo-missies
De afgelopen decennia heeft de mensheid behoorlijk wat ervaring opgedaan met ruimtereizen; we bouwden een paar ruimtestations, zetten mensen op de maan en organiseerden tal van onbemande missies naar andere planeten, planetoïden en kometen in ons zonnestelsel. En er is zelfs één onbemande ruimtesonde die ons zonnestelsel reeds verlaten heeft. Al die ervaring komt natuurlijk van pas wanneer we een bemande interstellaire ruimtereis gaan uitstippelen. Maar tegelijkertijd moeten we ons realiseren dat zo’n interstellaire ruimtereis in niets te vergelijken is met wat de mensheid tot op heden in de ruimte heeft uitgespookt. “Dat heeft vooral te maken met de schaal van het interstellaire reizen,” vertelt Vermeulen aan Scientias.nl. “Tijdens het Apolloprogramma en ook de missies naar Mars zie je dat we stapsgewijs naar ons doel toe werkten. Eerst cirkelden de astronauten om de maan heen, tijdens een latere missie naderden ze het oppervlak, om vervolgens toch weer terug te keren naar de aarde en tijdens een volgende missie pas op het oppervlak te landen. Dat is een heel zinvolle strategie, die je in staat stelt om de risico’s in kaart te brengen. Bij interstellair reizen gaat dat niet. Je kunt niet een stukje interstellair gaan en dan weer terug.”

Neil Armstrong zette in 1969 voet op de maan. Afbeelding: NASA.

Waar Armstrong gewapend met een draaiboek naar de al uitgebreid in kaart gebrachte maan ging, zullen de eerste interstellaire reizigers een veel onzekerdere toekomst tegemoet gaan. Ze weten niet wat ze buiten ons zonnestelsel tegen gaan komen en dus ook niet wat ze aldaar nodig zullen hebben. Wat ze wel weten, is dat ze niet op de aarde hoeven te rekenen. Een reis naar de interstellaire ruimte duurt decennia of misschien zelfs eeuwen. Even teruggaan om een probleempje of tekort op te lossen, is geen optie: waar de interstellaire reizigers ook tegenaan lopen, ze zullen het zelf moeten oplossen. En met dat alles in het achterhoofd ga je als vanzelf heel anders nadenken over het ruimtevaartuig dat zij daarbij nodig zullen hebben. “Ingenieurs moeten iets ontwerpen zonder dat ze weten waar het in de toekomst mee te maken krijgt.”

Een sterrenschip zoals we dat kennen uit sciencefiction. Mooi om te zien, maar wellicht niet zo praktisch als we denken. Afbeelding:
Janson_G / Pixabay.

Evolutie
Hoe pak je zoiets aan? “De biologie heeft er een antwoord op,” stelt Vermeulen. Sterker nog: eigenlijk komt de natuur met twee antwoorden. “De eerste oplossing is redundancy. Je ziet dat veel bij bloemen en vissen. Zij produceren heel veel zaden of eitjes, in de hoop dat een klein percentage daarvan het gaat redden. Dat is een manier om met een onzekere toekomst om te gaan.” Een andere manier is: evolueren. “In dat scenario is er een compleet ontwerp, dat zich vervolgens middels evolutie aanpast aan de veranderende omstandigheden.” Het is een effectieve manier waarop je een onzekere toekomst kunt omarmen in plaats van eraan onder door te gaan. Vermeulen en collega’s hebben zich dan ook door deze oplossing van de natuur laten inspireren: ze denken momenteel na over een sterrenschip dat evolueert. In dat scenario gaat het ruimteschip zich bijna gedragen als een levend organisme dat gaat roeien met de riemen die het heeft en materialen die het in de ruimte aantreft, gaat gebruiken om zichzelf aan te passen en de overlevingskansen te optimaliseren. Dat klinkt prachtig. Maar hoe gaat dat dan in de praktijk? Daar buigen Vermeulen en collega’s zich momenteel over. Voor nu steven ze af op een ‘asteroid starship‘: een sterrenschip dat uit een kleine ruimtesteen verrijst.

Een 3D-model van een interstellair ruimteschip dat op een kleine ruimtesteen verrijst. Afbeelding: Nils Faber & Angelo Vermeulen.

Ruimtesteen
Wanneer je een ruimteschip wilt laten evolueren, heb je vanzelfsprekend grondstoffen nodig. En dat is een uitdaging, zo vertelt Vermeulen. “Bij interstellair reizen ligt je snelheid heel hoog. Je kunt dus niet zo gemakkelijk afremmen om wat grondstoffen te verzamelen en daarom moet je eigenlijk ruwe materialen meenemen.” Dat klinkt logisch. Maar hoe zwaarder je ruimtevaartuig is, hoe duurder het is om het te lanceren. Daarom stelt Vermeulen voor om die grondstoffen kort na de lancering in de ruimte op te duikelen. Heel concreet: hij wil een proto-ruimteschip op een kleine ruimtesteen laten landen, waarna die ruimtesteen eigenlijk deel uit gaat maken van de interstellaire missie en dienst doet als bron van grondstoffen. Die grondstoffen worden bijvoorbeeld gebruikt om het proto-ruimteschip groter te maken (dat zal nodig zijn naarmate de populatie aan boord van het ruimteschip groeit). Maar ook om levensondersteunende systemen verder te ontwikkelen (ruimtestenen bevatten water en organisch materiaal) en het ruimteschip aan te passen aan de grillen van de interstellaire ruimte (denk bijvoorbeeld aan straling en inslagen van kleine stofdeeltjes, die door de grote snelheid heel wat schade kunnen aanrichten). In feite wordt de ruimtesteen zo langzaam maar zeker uitgehold, terwijl het ruimteschip groeit en verandert. Daarbij is overigens een cruciale rol weggelegd voor 3D-printers die de ruwe materialen om kunnen zetten in datgene wat de interstellaire reizigers nodig hebben.

Hier zien we de verschillende modules van dichtbij. Je ziet dat ze verschillende kleuren hebben. Deze vertellen iets over het materiaal waarvan de modules zijn gemaakt. Ook staat op elke module een icoontje dat meer vertelt over de functie ervan (zie inzet). Afbeelding: Nils Faber.

Het is een prachtig idee dat Vermeulen en collega’s op dit moment verder verkennen. Want er valt nog veel te onderzoeken. Zo wordt momenteel met simulaties bekeken welk type ruimtesteen nu het meest geschikt is om tijdens een interstellaire ruimtereis mee te nemen. “Daarbij kijken we niet alleen naar welke materialen er in een ruimtesteen aanwezig zijn, maar ook hoe ze over de ruimtesteen verdeeld zijn.” Met behulp van simulaties wordt ook bestudeerd hoe een sterrenschip het beste kan evolueren. “Voor nu richten we ons op een modulaire architectuur.” Oftewel een uit verschillende modules opgebouwd sterrenschip. “Dat leent zich goed voor het uitbouwen. Maar evolutie gaat verder dan dat: evolutie herschikt ook. En dat kan met de modules heel goed.” Verder moet ook nog gekeken worden wat de drijvende kracht achter de evolutie in de ruimte moet worden. En wanneer deze aanpak wel en niet werkt.

Reacties
Je kunt dan ook rustig stellen dat het conceptuele ontwerp – helemaal in lijn met wat Vermeulen voor ogen heeft – nog volop evolueert. Maar de reacties op de voorlopige resultaten van de onderzoeksgroep zijn overwegend positief. En recent werd het concept zelfs door ESA gepubliceerd als Technology Image of the Week. “Mensen vinden het mooi dat wij de verbeelding aanzwengelen en dat ons werk tegelijkertijd wel verankerd is in concrete data en concreet onderzoek. Dit is in die zin dus geen puur speculatieve studie.”

Dat de mens ooit de interstellaire ruimte ingaat, daar twijfelt Vermeulen geen moment over. Of daarbij gebruik wordt gemaakt van een evoluerend sterrenschip? Die kans acht hij groot. “Als gekozen wordt voor een systeem dat niet evolueert, zul je zien dat interstellaire reizigers het onderweg toch moeten veranderen. Alleen zal dat dan op veel primitievere manieren gebeuren dan wanneer je kiest voor een evoluerend ruimteschip.” Hij ziet dan ook eigenlijk geen reden om het evoluerende sterrenschip niet in te zetten. “Als je toch weet dat je dingen moet gaan veranderen, kun je het maar beter omarmen en ermee werken.” Het zal een behoorlijke ommezwaai worden voor de huidige ruimtevaartsector. “In de ruimtevaart heerst toch een cultuur van controle. De dagschema’s van de astronauten in het ISS zijn bijvoorbeeld tot op vijf minuten bepaald.” Heel anders zal het zijn tijdens de eerste interstellaire reis: aardbewoners zullen al spoedig niet meer weten wat de mensen aan boord van het sterrenschip aan het doen zijn en alleen maar kunnen gissen naar hoe het sterrenschip waarin de interstellaire reizigers vertrokken er na een paar jaar uitziet.