“Het is ambitieus, maar fundamenteel wetenschappelijk gezien niet onhaalbaar.” Precies het antwoord waar we op hoopten!

Aan het woord is Vera Janssen. Ze is verbonden aan de TU Delft en weet absoluut waar ze het over heeft. Een paar weken geleden stoeide ze met enkele collega’s in een valtoren in Bremen namelijk nog met grafeen: het gedroomde materiaal om zo’n lichtzeil van te maken.

GrapheneX

Janssen maakt deel uit van het GrapheneX-team. Het team bestaat uit vier jonge onderzoekers van de TU Delft en voerde de experimenten met grafeen uit in het kader van het programma ‘Drop Your Thesis’ van ESA Education. Binnen dit programma worden studenten uitgenodigd om ideeën in te dienen voor experimenten in een gewichtloze omgeving. En ESA vond het voorstel van GrapheneX zo interessant, dat het team meettijd kreeg in de valtoren in Bremen.

Het lichtzeil
Maar eerst even terug naar het begin. Want wat is een lichtzeil en waarom moeten we daar enthousiast van worden? Het is april 2016 en Stephen Hawking (een briljante onderzoeker) en Yuri Milner (een schatrijke ondernemer en natuurkundige) kondigen Breakthrough Starshot aan. Het doel? Een ruimtevaartuig in twintig jaar tijd naar de meest nabije buurster (te vinden in het stersysteem Alpha Centauri) sturen. Dat klinkt heel eenvoudig, maar dat stersysteem is nog altijd 4,37 lichtjaar van ons verwijderd. Dat betekent dat licht er al meer dan vier jaar over doet om van ons naar dit stersysteem te reizen. En ruimtesondes gaan bij lange na niet zo snel als het licht: de ruimtesondes van nu zouden waarschijnlijk tienduizenden jaren nodig hebben om Alpha Centauri te bereiken. En Hawking en Milner willen het in twintig jaar tijd doen. Klinkt onmogelijk. Maar dat is het niet. Hawking en Milner stellen namelijk voor om een piepklein en licht ruimtescheepje te gebruiken dat aan een enorm zeil wordt opgehangen. Vervolgens willen ze dat zeil – en het ruimtescheepje – voortstuwen met behulp van een krachtige laserstraal (zie kader) die vanaf de aarde op het zeil wordt gericht. In theorie zou een heel licht ruimteschip zo flink versneld kunnen worden en uiteindelijk zouden volgens Hawking snelheden tot wel 160 miljoen kilometer per uur tot de mogelijkheden behoren.

Stralingsdruk
Wanneer licht – bijvoorbeeld afkomstig van een laser – door een oppervlak wordt gereflecteerd of geabsorbeerd, oefent het een kracht uit die het oppervlak wegduwt van de lichtbron (in bovenstaand scenario is dat een laser op aarde). Door handig gebruik te maken van die stralingsdruk kun je objecten in de ruimte op snelheid brengen, zonder dat daar brandstof voor nodig is. Er moet wel worden opgemerkt dat de van stralingsdruk afkomstige stuwkracht zeer zwak is. Daarom zal zo’n lichtzeil een behoorlijk oppervlak moeten hebben en heel licht moeten zijn om een effectieve voortstuwing mogelijk te maken.

Klinkt als een plan. Maar waar gaan we dat lichtzeil dan van maken? Over die vraag heeft Janssen zich – samen met enkele collega’s – dus gebogen. En al snel kwamen ze uit bij grafeen. “Het materiaal bestaat uit één laag koolstofatomen, gerangschikt in een hexagonaal rooster,” vertelt Janssen. Het materiaal heeft verscheidene wenselijke eigenschappen, zo is het heel sterk en geleidt het heel goed. “Maar de belangrijkste eigenschap is toch wel dat het een ultiem licht materiaal is.”

Alpha Centauri bestaat uit drie sterren: Alpha Centauri A, Alpha Centauri B en Proxima Centauri. Het stelsel werd enige tijd nadat Hawking en Milner hun plannen voor Breakthrough Starshot aankondigden in één klap een stuk interessanter nadat rond Proxima Centauri een aardachtige planeet in de leefbare zone werd aangetroffen. Afbeelding: Digitized Sky Survey 2 / Davide De Martin / Mahdi Zamani.

Experimenten in de valtoren
Grafeen lijkt hier op aarde dus een geschikt materiaal om een lichtzeil van te fabriceren. Maar is het ook geschikt voor gebruik in de ruimte? En kun je het daar met behulp van laserlicht in beweging brengen? Dat hebben Janssen en collega’s recent uitgezocht in de valtoren in Bremen. Ze produceerden een soort mini-lichtzeiltjes door een aantal lagen grafeen op een licht stukje kopergrid te plaatsen en stopten deze in een capsule. Het plan was om deze capsule in de 146 meter hoge valtoren omhoog en omlaag te katapulteren, wat zou leiden tot 9,3 seconden gewichteloosheid. Op het moment dat de grafeenmembranen zweefden, zouden ze met laserlicht beschenen worden om te kijken of ze in beweging gebracht konden worden. Maar het liep allemaal een beetje anders, vertelt Janssen. “Het katapulteren leidde tot te grote verstoringen, waardoor we het effect (dat de laser op het grafeen had, red.) bijna niet konden meten.” En dus moesten Janssen en collega’s iets anders proberen. Besloten werd om de capsule gewoon in de toren te laten vallen (waardoor de periode van gewichteloosheid wel wat korter was). En dat werkte. “We hebben goede metingen kunnen doen.”

“We moeten nog kritisch naar alle data kijken, maar we hebben zeker wel iets interessants gezien”

Resultaten
Het maakt nieuwsgierig, want wat hebben Janssen en collega’s zien gebeuren? “We werkten met twee samples: een referentiesample dat niet met een laser werd beschenen en een sample dat in micro-gravitatie (dus zodra er sprake was van gewichteloosheid, red.) met blauw laserlicht werd beschenen. Met dat eerste sample gebeurde niets: het bewoog niet. Het andere sample vloog zodra de laser aanging weg.” Het wijst er sterk op dat de mini-lichtzeiltjes precies doen wat je ervan mag verwachten. Maar Janssen houdt nog een slag om de arm. “We moeten nog kritisch naar alle data kijken, maar we hebben zeker wel iets interessants gezien.”

Wist je dat…

…de sonde van Hawking niet de eerste ruimtesonde zou zijn die met een lichtzeil wordt uitgerust? Eerder lanceerden de Japanners al IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). Deze sonde maakt gebruik van de stralingsdruk van de zon en wist zo langs Venus te scheren. “Het lichtzeil van IKAROS is gemaakt van een licht polymeer,” vertelt Janssen. En dat werkt dus ook. “Maar grafeen zou wel het ultieme materiaal zijn. Met name omdat het veel lichter is.”

Net als in de ruimte
En dat is extra opwindend, omdat de omstandigheden in de valtoren redelijk representatief zijn voor de omstandigheden in de ruimte. Zo vonden de experimenten plaats bij heel weinig zwaartekracht: “Ongeveer een miljoenste van de zwaartekracht op aarde”. Ook werd er geëxperimenteerd in een vacuüm “met wel iets meer druk dan er in de ruimte is,” aldus Janssen. “Maar al met al leken de omstandigheden sterk op die in de ruimte.”

Opschalen
Op basis van het experiment zouden we voorzichtig kunnen concluderen dat grafeen een serieuze optie is als we een lichtzeil willen maken. Maar dan moet het mini-lichtzeiltje waar nu mee geëxperimenteerd is, wel flink worden opgeschaald. Is dat lastig? “Wetenschappelijk gezien niet,” vertelt Janssen. Maar daarmee is nog niet alles gezegd. “Onderzoekers kunnen grafeen laten ‘groeien’ – en dat gebeurt ook – op een schaal van enkele tientallen centimeters doorsnede.” Veel grotere stukken grafeen worden tot op heden niet vervaardigd, simpelweg omdat onderzoekers die niet nodig hebben. Janssen verwacht dan ook dat grotere stukken grafeen pas gefabriceerd gaan worden, als daar een markt voor ontstaat en bedrijven er brood in zien om daarin te investeren. Wanneer dat gaat gebeuren? “Dat ligt eraan of grafeen ook op andere gebieden – bijvoorbeeld consumentenelektronica – toegepast gaat worden.” Het opschalen van grafeen kan dus nog een uitdaging blijken te zijn. Maar het is niet de enige. “Er zijn nog andere technologieën nodig om zo’n lichtzeil te maken,” weet Janssen. “Bijvoorbeeld een scherm dat het grafeen vasthoudt.”

“Het grootste probleem dat ik voorzie, is dat er verspreid over de aarde flinke lasers moeten worden geplaatst”

Ambitieus, maar mogelijk
Hawking zei eerder te verwachten dat Breakthrough Starshot binnen vijftien jaar technologisch gezien haalbaar is. En ook Janssen is optimistisch. “Het is ambitieus. Maar als er geld beschikbaar is en de technologie nog wat doorontwikkeld wordt, dan is het fundamenteel wetenschappelijk gezien niet onhaalbaar.” En als het niet lukt, dan is dat volgens Janssen waarschijnlijk niet te wijten aan de wetenschap, maar aan de politiek. “Het grootste probleem dat ik voorzie, is dat er verspreid over de aarde flinke lasers moeten worden geplaatst.” Dat zijn zaken waar de meeste politici niet onverdeeld enthousiast over zullen zijn. “Het zijn lasers die objecten in de ruimte een grote duw kunnen geven en dat is vanuit een defensief oogpunt natuurlijk wel zorgelijk.” Want wat als die lasers op een dag voor andere doeleinden worden gebruikt? Bijvoorbeeld om satellieten van een bepaald land uit hun baan te stoten?

Deze artistieke impressie laat grafeen in de ruimte zien. Afbeelding: Graphene Flagship.

Er zijn wetenschappelijk en politiek gezien dus nog wel enige hindernissen te nemen voor Hawkings sonde het luchtruim kan kiezen. En dan moeten we het toch ook nog even hebben over dat andere probleem dat onderzoekers kort nadat Hawking zijn plannen introduceerde, opwierpen. Want een ruimtesonde op hoge snelheid brengen, is één ding. Die sonde eenmaal bij Proxima Centauri laten afremmen, is een tweede. Want hoe gaan we dat doen? Op de rem trappen? Dat is geen optie, want een remsysteem zou de sonde te zwaar maken om met lasers aan te drijven. Het is een lastige kwestie. Maar volgens Janssen moeten we ons daar in dit stadium eigenlijk helemaal niet mee bezig houden. “Ik denk dat je allereerst moet denken aan een missie die – zonder af te remmen – langs andere planeten en sterren schiet.” Een scheervlucht dus, waarbij de sonde na afloop de verzamelde informatie naar de aarde stuurt en zelf voortjakkert door het heelal. “Ik denk dat we door dichtbij andere planeten en sterren metingen te doen al heel veel nieuwe informatie kunnen verkrijgen. Dus dat zou naar mijn idee de eerste stap moeten zijn.” En laten we eerlijk zijn: “Het zou al een heel grote stap zijn.”