De zon zendt fotonen en de zonnewind uit, maar kunnen we er – net als op de aardse wind – ook op zeilen en en passant nieuwe werelden ontdekken?

Het idee werd in de jaren twintig van de vorige eeuw voor het eerst besproken door Fridrikh Tsander. De eerste keer dat de term ‘lichtzeilen’ gebruikt werd, was in een paper van Richard Garwin in 1958. Het duurde daarna nog een tijdje voordat de stralingsdruk van de zon daadwerkelijk gebruikt werd. Mariner 10’s missie naar Mercurius was het eerste ruimtevaartuig dat gebruikmaakte van dit principe, maar volledige sturing door gebruik te maken van de stralingsdruk werd pas (na enkele gefaalde pogingen) uitgevoerd in 2010 door IKAROS. Dit was een ruimtevaartuig van de Japanse ruimtevaartagentschap JAXA. Voordat we gaan kijken naar de huidige lichtzeilen en de toekomstplannen, zullen we proberen iets beter te begrijpen hoe een lichtzeil gebruik maakt van de stralingsdruk. Vervolgens zullen we kijken naar ideeën om gebruik te maken van de zonnewind.

Een artistieke impressie van IKAROS. Afbeelding: Andrzej Mirecki (via Wikimedia Commons).

Afbeelding: NASA.

Lichtzeil

Een lichtzeil bestaat voor het grootste deel uit een groot zeil dat fotonen afkomstig van de zon kan reflecteren, waardoor het een impuls genereert. Dit betekent dat het snelheid geeft aan het ruimtevaartuig door middel van de stralingsdruk van de zon. Elk foton geeft maar een heel klein beetje impuls, maar als we het zeil groot en licht genoeg maken, kan het ruimtevaartuig voldoende fotonen vangen om toch een redelijke snelheid te krijgen. Bedenk hierbij dat deze snelheid gratis is en het ruimtevaartuig constant kan versnellen. Een conventioneel ruimtevaartuig bestaat voor het grootste deel vaak uit brandstof, wat een extra ballast en hogere prijs eist. Dus een lichtzeil is naast een slim systeem, ook nog eens een stuk goedkoper dan zijn huidige alternatieven. Er zijn veel verschillende ontwerpen, maar het meest bekende is toch wel het vierkante model dat je op de foto hier boven ziet. Naast dat het lichtzeil licht en groot moet zijn, is de reflectiviteit erg essentieel. Daarnaast zal het in staat moeten zijn om extreme temperaturen te weerstaan. De materiaalkeuze is daarom erg belangrijk. Eerst werd er meestal aan aluminium gedacht, maar tegenwoordig worden kapton en mylar ook vaak voorgesteld, maar reken er maar op dat grafeen en koolstofnanobuizen uiteindelijk ook gebruikt gaan worden.

Mogelijke missies
Een lichtzeil klinkt fantastisch met zijn gratis snelheid, maar dit is alleen handig als het zeil heel licht is en het zo min mogelijk massa aan boord heeft. We zullen er dus geen mensen naar andere hemellichamen kunnen vervoeren, maar wat dan wel? Gelukkig zijn we vrij ver op het gebied van nanotechnologie, daardoor kunnen we enorme kleine en lichte meetapperatuur, camera’s en andere technologie aan boord van zo’n lichtzeil hebben.

“Doordat het lichtzeil geen brandstof nodig heeft, kan het in theorie tot in de oneindigheid een komeet volgen”

Een lichtzeil heeft ook een unieke sturing, doordat we een lichtzeil verschillend kunnen oriënteren ten opzichte van de zon, kan zijn snelheid toe of afnemen en kan het daarbij vrij soepel door de ruimte manoeuvreren. Uiteraard klinkt dit eenvoudiger dan het is. Het vereist namelijk een nauwkeurige controle vanaf de aarde en daarbij moet er rekening worden gehouden met veel verschillende factoren die het zeil van richting kunnen veranderen. Uiteindelijk kunnen we nadenken over eventuele missies. Door de unieke sturing en ontwerp van het lichtzeil, kan het in banen komen, waar conventionele ruimtevaartuigen moeite mee hebben. Daardoor is het in staat om erg dicht bij de zon te komen en rond de zon blijven te cirkelen, zonder veel brandstof nodig te hebben voor correcties. Dit zorgt ervoor dat we de zon beter kunnen bestuderen. Denk hierbij aan studies van de polen van de zon, maar ook metingen van de zonnewind en de activiteit van de zon als onderdeel van het ruimteweer. De effecten van de zonnewind en activiteit van de zon heeft een sterke invloed op onze satellieten, het aardmagnetisch veld, eventuele missies van mensen naar de maan en Mars; maar ook op aarde zoals voor vliegtuigen en hun bemanningsleden, elektriciteitsvoorziening, corrosie van oliepijpleidingen en misschien zelfs ons klimaat. Een andere nuttige missie is het bestuderen van kometen. Doordat het lichtzeil geen brandstof nodig heeft, kan het in theorie tot in de oneindigheid een komeet volgen. Daarnaast kan het kleine monsters nemen op asteroïden. Of wat dacht je van spectaculaire interstellaire missies? Hier komen we straks op terug.

NASA’s NanoSail-D. Afbeelding: NASA / MSFC / D. Higginbotham.

Huidige lichtzeilen en de nabije toekomst
We spraken in de inleiding al kort over IKAROS uit 2010. Dit lichzeil was het eerste ruimtevaartuig dat de ruimte in ging. Dit was niet zo maar een lichtzeil, er werd namelijk ook gebruikt gemaakt van zonnecellen die geïntegreerd zaten in het zeil om een extra 300 Watt te genereren. Dit vaartuig had als missie om de remming, ontvouwing (dit kan je met specialisten op het gebied van origami uiteraard overlaten aan de Japanners) en controle van het zeil te testen. In mei 2015 verloor JAXA contact met IKAROS. Op dit moment is JAXA bezig met een nieuwe opvolgende missie met een groter lichtzeil die over enkele jaren zal worden gelanceerd.
The Planetary Society, een niet-gouvernementele organisatie uit de VS, werd in 1980 opgericht door onder andere Carl Sagan en wordt nu geleid door Bill Nye. Beiden zijn onder het grote publiek zeer bekend door het promoten van wetenschap. The Planetary Society heeft als doel publiekelijke betrokkenheid en zijn afhankelijk van financieringen van leden. Op deze manier waren zij onder andere in staat om in juni 2015 Lightsail-1 succesvol te lanceren. Dit zeil besloeg na ontvouwing 32 vierkante meter. Helaas waren er communicatieproblemen en problemen met de controle, waardoor het na 25 dagen al terugviel op aarde. Binnen enkele maanden staat de lancering van het Lightsail-2 op de planning, die het hopelijk beter gaat doen.
Ook NASA heeft al een lichtzeil gelanceerd. Dit was de zeer kleine NanoSail-D. Deze had een afmeting van 10 vierkante meter na ontvouwing. Het doel was om de ontvouwing in de ruimte te testen. De NASA is nu ook al bezig met andere testen van lichtzeilen op de grond en is ook bezig met een missie naar planetoïden.

Een deorbit sail. Afbeelding: University of Surrey / ESA.

Ons eigen Europese ruimteagentschap, ESA, spreekt op hun website over een voorstel voor een heen-en-terug missie naar Mercurius om wat monsters te nemen op de planeet. Helaas is hier verder nog niet veel over te vinden. Een ander interessant voorstel van ESA om lichtzeilen toe te passen, is een Gossamer Deorbit Sail (zie afbeelding hierboven en -onder). Dit lichtzeil kan ingezet worden om kleine satellieten terug naar de aarde te brengen, door deze sterk af te laten remmen. Met onze zorgen over toenemend ruimteafval is dit een uitstekend plan. Het is mogelijk met zo’n systeem om een kleine satelliet van minder dan 700 kg in een lage baan rond de Aarde in plaats van in 22 jaar in slechts 5 maanden terug te brengen.

Het deorbit sail, maar dan opgevouwen. Afbeelding: University of Surrey / ESA.

In een vernieuwende baan rond de aarde
Nu we toch al over ruimteafval begonnen zijn, kunnen we ook kort uitleggen hoe lichtzeilen op een andere manier ingezet kunnen worden om dit probleem van ruimteafval te verminderen. Momenteel kennen we enkele specifieke banen rond de aarde die erg populair zijn. Zo is er de regio die de lage baan (minder dan 2000 kilometer vanaf het aardoppervlak) wordt genoemd waar veel satellieten zitten en de geostationaire baan (35.786 kilometer recht boven de evenaar) waar satellieten zitten die met een gelijke snelheid als de aardrotatie kunnen meedraaien, zodat ze precies op hetzelfde punt (vanaf de aarde gezien) blijven ‘hangen’. Doordat deze banen zo populair zijn, is hier het probleem van de toenemende ruimteafval het grootst. Met de alternatieve manoeuvres die een lichtzeil kan maken ten opzichte van een conventionele satelliet, kunnen lichtzeilen als satelliet worden ingezet op nieuwe banen met dezelfde doelen als op deze zojuist genoemde populaire banen. Zo kunnen lichtzeilen geostationair ingezet worden zonder in de huidige geostationaire banen te zitten. Bedenk wel dat we hiermee geen afval verwijderen, maar het probleem slechts uitstellen, dus er moet nog wel altijd gezocht worden naar extra oplossingen voor de verwijdering van afval!

Breakthrough Starshot
Voor veel mensen spreekt een interstellaire missie erg aan. Onze ontdekkingsdrift zou met een ruimtemissie naar een ander planetenstelsel met de eventuele bijzondere ontdekkingen enorme voldoening en nieuwsgierigheid opwekken.
De onlangs overleden Stephen Hawking had samen met de Russische miljardair Yuri Milner in April 2016 een interstellair lichtzeil project aangekondigd. Dit project heet Breakthrough Starshot. Hierbij is het de bedoeling om vanaf aarde een grote vloot aan nanolichtzeilen naar onze buurster Alpha Centauri te sturen, met behulp van 100 GigaWatt lasers die vanaf onze Aarde deze lichtzeilen nog een extra versnelling geven. Het complete project zal naar schatting tussen de 5 en 10 miljard dollar kosten. De lichtzeilen moeten op basis van grafeen 4 bij 4 meter groot worden. De instrumenten moeten enorm licht worden, zodat elk afzonderlijk zeil ongeveer een gram zal wegen. Op deze manier moet er een snelheid gelijk aan 20% van de lichtsnelheid verkregen kunnen worden, zodat Alpha Centauri in 20 jaar bereikt kan worden. Het doel is wetenschappelijke data te verkrijgen en foto’s te maken. Een landing zal er door de hoge snelheden vast niet kunnen inzitten. In juli 2017 werden er, als onderdeel van het onderzoek naar Breakthrough Starshot, al succesvol mini-satellieten van 4 gram rond de aarde gebracht. Het is nog afwachten hoe dit project zich verder gaat ontwikkelen.

Alternatieven

Het lichtzeil dat we gedurende dit artikel besproken hebben, heeft nog vele varianten. Zo zijn er het elektrische lichtzeil (E-zeil) en magnetische lichtzeil (M-zeil). Deze maken gebruik van de zonnewind. We kwamen deze term net al tegen. Het is verstandig om eerst kort te kijken wat de zonnewind nu is en hoe deze ontstaat.



Voor iemand die nog nooit gehoord heeft van de zonnewind, zal het vast vreemd in de oren klinken, maar misschien minder vreemd als we je vertellen dat dit niets anders is dan een stroming van geladen deeltjes afkomstig van het oppervlak van de zon. Deze verzameling van geladen deeltjes heet ook wel een plasma. Dit is de vierde aggregatietoestand, na vast, vloeibaar en gas. Als je een gas sterk verhit, kunnen atomen elektronen verliezen. De zon wordt omgeven door een atmosfeer die de corona genoemd wordt. Deze kun je waarnemen tijdens een zonsverduistering. De temperaturen zijn hier ongeveer een miljoen graden (wat kan oplopen tot soms 20 miljoen graden) en daardoor is de corona in de vorm van een plasma. Aangezien de zon voor grotendeels uit waterstof en helium bestaat, krijg je een plasma van vooral vrije elektronen, protonen en alfadeeltjes (kern van een heliumatoom). Als deeltjes in dit plasma de ontsnappingssnelheid van 620 km/s overschrijden, worden ze de ruimte ingeblazen en dit is hoe, simpel gezegd, de zonnewind ontstaat.



Het idee van een E-zeil werd door Finse fysicus Janhunen in 2004 besproken in een artikel. Dit ruimtevaartuig ziet er grofweg uit zoals in de afbeelding hieronder. Hier zie je enkele elektrisch geladen aluminium draden, die een lengte van 20 km en een dikte van 25 microns zouden moeten krijgen. In plaats van fotonen, worden hier de protonen van de zonnewind gebruikt om impuls te genereren. Een elektronengeweer zorgt er dan voor dat de draden nooit neutraal worden, zodat er een continue versnelling kan zijn. Verder zal het E-zeil moeten blijven roteren om in dezelfde richting te blijven gaan. Sturing gebeurt dan door het elektronengeweer te variëren.

Afbeelding: afkomstig van I. Funaki (2015). “Overview of Sail Propulsion for Space Flight”. Lecture in “Propulsion and Energy Systems”. Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA).

Een wat ouder idee is het M-zeil. Dit is voor het eerst besproken in een artikel van Dana Andrews en Robert Zubrin in 1988. Hier wordt een magnetisch veld gegenereerd door het leiden van een stroom door een supergeleidende spoel. Dit veld kan dan door middel van interactie met de zonnewind impuls opwekken en daarbij versnellen. Dit idee zie je hieronder.

Afbeelding: afkomstig uit Martin Dann, Justin R. D’Antonio. (2014). “Magnetic Sail propulsion”. Electromagnetic theory, State University of New York, SUNY Oswego

In theorie kan een M-zeil beter vertragen, dan een E-zeil, terwijl een E-zeil efficiënter is op lage snelheden dan een M-zeil. Daarom is het ook mogelijk om de twee concepten samen te voegen, om een optimaal ruimtevaartuig voor interstellaire missies te krijgen. In deze studie werd gekeken hoe dit zou kunnen gaan als een vaartuig van 8250 kg afremt van een snelheid gelijk aan 5% van de lichtsnelheid naar 35 km/s op weg naar Alpha Centauri. Met een E-zeil zou dit 34,9 jaar kosten van Aarde tot Alpha Centauri, met een M-zeil 39,7 jaar, terwijl de combinatie van beide het mogelijk maakt om in 28,8 jaar Alpha Centauri te bereiken. Hier regelt het M-zeil de vertraging en het E-zeil de uiteindelijke remming. Het idee van het E-zeil wordt momenteel getest bij de NASA voor een missie naar de heliopauze (de grens van de invloedssfeer van de zon) en het concept van een M-zeil wordt sinds 2006 bestudeerd door JAXA in samenwerking met Japanse universiteiten. Over interstellaire missies met een combinatie van beiden wordt buiten de genoemde studie nog niet veel gesproken.

Het lichtzeil is een interessant idee en kan voor veelbelovende doeleinden worden ingezet. Daarnaast is het goedkoop en kunnen we hoge snelheden bereiken om verder dan ons zonnestelsel te reizen. Echter zijn er nog wel veel obstakels die overwonnen moeten worden om lichtzeilen 100% betrouwbaar te maken. Daarnaast is het misschien verstandiger om ons voorlopig bezig te houden met nuttige toepassingen dichtbij huis, zoals het bestuderen van het ruimteweer en het creëren van een nieuwe geostationaire baan en het afremmen van kleine satellieten, voordat we ons bezig houden met bezichtigen van andere planetenstelsels. Echter zou het natuurlijk ook erg gaaf zijn als een project zoals Breakthrough Starshot ons uiteindelijk verder kan brengen in ons Melkwegstelsel. Ook andere ontwerpen van ruimtevaartuigen zoals M-zeilen en E-zeilen zullen uiteindelijk worden getest en wie weet wat er in de toekomst nog allemaal voor ingenieuze ruimtevaartuigen zullen worden bedacht!

Jurjen de Jong (1993) is masterstudent Space Studies aan de KU Leuven. Daarvoor heeft hij een propedeuse werktuigbouwkunde in Breda, een bachelor wiskunde en een bachelor natuurkunde in Utrecht behaald en afgelopen juli een master in de wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Later hoopt hij een baan in de ruimtevaartsector te krijgen. Eerder verschenen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook twee artikelen over de quantumcomputer die voor een revolutie kan gaan zorgen.