Vorig jaar kondigden de beroemde theoretisch fysicus Stephen Hawking en de Russische miljardair Yuri Milner een ambitieus plan aan om een klein ruimtevaartuig naar het Alpha Centauri-systeem te lanceren. Zo'n ambitieus plan vereist natuurlijk een zoektocht naar niet minder ambitieuze oplossingen. Een van de onopgeloste problemen heeft bijvoorbeeld betrekking op de manier waarop een ruimtevaartuig dat met een vijfde van de lichtsnelheid beweegt, kan stoppen nadat het zijn bestemming heeft bereikt. Zal hij überhaupt in staat zijn tot zo'n manoeuvre?
Een paar Europese wetenschappers lijken het juiste antwoord op deze vraag te hebben gevonden. In een paper gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters, bespreken natuurkundige Rene Heller van het Max Planck Institute en computerwetenschapper Michael Hippke hoe de straling en zwaartekracht van Alpha Centauri-sterren kunnen worden gebruikt om een ruimtevaartuig te vertragen. Volgens wetenschappers kan een klein ruimtevaartuig dat is uitgerust met een licht zeil, in plaats van alleen maar voorbij te varen, voldoende langzamer gaan rijden om het drievoudige sterrensysteem en mogelijk zelfs de aardachtige planeet Proxima b nabij een van de sterren van dit systeem in detail te bestuderen.
Bedenk dat Milner in het kader van het Breakthrough Starshot Initiative van plan is $ 100 miljoen te investeren in de ontwikkeling van een ultralicht autonoom ruimtevaartuig met een licht zeil, dat kan versnellen tot 1/5 van de lichtsnelheid (ongeveer 60.000 km / s). Dankzij dit zal de robotsonde Alpha Centauri - het sterrenstelsel dat het dichtst bij de aarde staat - in slechts 20 jaar kunnen bereiken, en niet in 100.000, zoals het geval is met traditionele chemische versnellers.
Volgens het oorspronkelijke plan van Milner en Hawking zou de kleine sonde worden bevestigd aan een compact, een paar meter groot, een zeil van licht dat wordt bestuurd door een gefaseerde reeks lasers. De energie die door deze lasers wordt gegenereerd, zou theoretisch voldoende zijn om de kleine sonde te versnellen tot veel hogere snelheden dan het snelste ruimtevaartuig van vandaag kan aantonen.
Render van de voorgestelde lichte zeiltechnologie
Dit is echter niet de enige voorgestelde regeling voor de uitvoering van dit project. Volgens de versie van Heller en Hippke zou het gebruik van een groter "foton" -zeil het gebruik van een laserarray overbodig maken. In dit geval is de sonde zelf slechts enkele centimeters groot en weegt hij slechts enkele grammen. Om te versnellen en de interstellaire ruimte binnen te gaan, zal het vaartuig worden uitgerust met verschillende grote, maar tegelijkertijd zeer lichte, dunne en sterke zeilen. Volgens het scenario dat door Europese wetenschappers is voorgesteld, zal de sonde de straling van onze zon naar Alpha Centauri duwen. Bij het bereiken van het vereiste traagheidsniveau zal het apparaat zijn zeilen neerklappen en zijn reis voortzetten naar het naburige sterrenstelsel.
Wetenschappers denken dat de sonde in dit geval 4,6 procent van de lichtsnelheid kan ontwikkelen en in ongeveer 95 jaar Alpha Centauri zal bereiken. Ja, dit is bijna vijf keer langer dan in het oorspronkelijke plan van Milner en Hawking, maar in theorie zal het de taak om de sonde op de juiste plaats te stoppen aanzienlijk vereenvoudigen.
Promotie video:
“De interstellaire reis naar het Alpha Centauri-systeem zal vermoedelijk plaatsvinden met snelheden die de reistijd terugbrengen tot minder dan duizend, en idealiter minder dan honderd jaar. Met deze snelheid heeft het ruimtevaartuig een ongelooflijk grote hoeveelheid energie nodig om te vertragen en de gewenste banen te bereiken”, zegt Heller.
“Het gebruik van wat voor soort brandstof dan ook, zal het project als geheel alleen maar ingewikkelder maken. Als het schip brandstof aan boord nodig heeft, is het in dit geval zelf te zwaar, waardoor de behoefte aan een nog grotere voorraad brandstof alleen maar groter wordt."
Gezien deze beperkingen en het ontbreken van een geschikte oplossing op dit moment, suggereren wetenschappers dat de sonde in dit geval gewoon voorbij Alpha Centauri zal vegen, zoals het geval was met het ruimtevaartuig New Horizons, dat voorbij Pluto vloog. Maar nogmaals, als we rekening houden met het snelheidsverschil, zal de sonde, in tegenstelling tot de "New Horizons", niet in staat zijn om op zijn minst enkele min of meer nauwkeurige metingen van dit stellaire systeem te geven. Gelukkig is er volgens de twee wetenschappers een optie die het ruimtevaartuig in theorie niet alleen in staat stelt te vertragen tot acceptabele snelheden op het gewenste punt, maar ook een gedetailleerde studie van het Alpha Centauri-systeem uitvoert.
“We hebben een methode gevonden om het ruimtevaartuig te vertragen met behulp van de energie van de ster zelf. Lichte deeltjes kunnen worden gebruikt om het lichte zeil te vertragen. In dat geval is aan boord geen extra brandstof nodig. En het plan zelf als geheel past in het algemene concept dat wordt voorgesteld door het Breakthrough Starshot Initiative."
Animatie van "fotografische opname" door de ster Alpha Centauri A
Voor het welslagen van de implementatie is het nodig om een manier te bedenken waarop het apparaat zijn zeilen weer kan uitvouwen bij aankomst in het systeem. In dit geval zal de straling die uit het systeem komt, de nodige druk creëren, wat de sonde zal vertragen. Dankzij computersimulaties berekenden Heller en Hippke dat met een sonde van 100 gram het zeiloppervlak ongeveer 100.000 vierkante meter (ongeveer 14 voetbalvelden) zou zijn. Bij aankomst bij het systeem neemt het remvermogen van de straling van Alpha Centauri op het zeil toe. Computersimulaties geven aan dat er voldoende kracht zal zijn om het vaartuig effectief te vertragen. Met andere woorden, dezelfde fysica die verantwoordelijk zal zijn voor het duwen van de sonde naar het naburige systeem, zal ook het voertuig vertragen bij aankomst op de gewenste locatie.
Tijdens de vertragingsmanoeuvre zou de sonde Alpha Centauri A moeten naderen over een afstand van vijf stellaire stralen (dat wil zeggen, een afstand gelijk aan vijf stralen van deze ster), of ongeveer 4 miljoen kilometer, om in zijn baan te worden vergrendeld. Op dit punt begint het ruimtevaartuig te vertragen tot ongeveer 2,5 procent van de lichtsnelheid. Het is echter belangrijk op te merken dat als de vertraging mislukt bij maximale snelheid (4,6 procent van de lichtsnelheid), de sonde terug in de interstellaire ruimte wordt geworpen.
Elke succesvolle reis begint met het maken van een kaart. In dit geval worden alle manoeuvres van een autonoom ruimte-nano-apparaat getoond op zijn reis naar Alpha Centauri A, vanwaar het pad naar Alpha Centauri B slechts vier dagen zal duren. De ultieme missie van de sonde zou een 46-jarige reis kunnen zijn naar de ster Proxima Centauri, het thuisadres van de aardse planeet Proxima b
Bij het bereiken van Alpha Centauri A, zal de ruimtesonde worden gevangen door zijn zwaartekracht, waarvan de kracht kan worden gebruikt voor verdere manoeuvres. Soortgelijke manoeuvres werden bijvoorbeeld gebruikt om de Voyager 1- en Voyager 2-sondes te versnellen terwijl ze zich nog in het zonnestelsel bevonden. In theorie zou de autonome sonde de baan van Alpha Centauri A kunnen binnendringen en op zoek gaan naar mogelijke exoplaneten. Heller en Hippke stelden ook een plan op om een sonde te lanceren naar systemen van andere sterren - Alpha Centauri B (de begeleidende ster van Alpha Centauri A) en Proxima Centauri (de verre derde ster van het systeem, gelegen op 0,22 lichtjaar of 1,2 biljoen kilometer) vanaf de algemeen aanvaarde massamiddelcentra van sterren A en B. Volgens dit plan duurt de vlucht naar Alpha Centauri A ongeveer een eeuw, daarna duurt het nog 4 dagen om naar Alpha Centauri B te vliegen,en daarna 46 jaar op reis naar Proxima Centauri.
En toch kan de extra tijd die wordt besteed, volgens wetenschappers volledig worden beloond. Een van de meest gedenkwaardige ontdekkingen van 2016 was de ontdekking door astronomen van een aardachtige planeet nabij de ster Proxima Centauri. Uiteindelijk kan de gelegenheid om "te sluiten" om deze planeet te verkennen een van de meest (zo niet de belangrijkste) gebeurtenissen in de moderne astronomie blijken te zijn. Het verzenden van de verzamelde gegevens over de planeet, gezien de afstand tot de aarde, duurt iets meer dan 4 jaar. Tot nu toe zijn dit echter slechts dromen, want op dit moment hebben we geen systemen die tegelijkertijd compact genoeg zijn om op een nanosonde te passen, en tegelijkertijd voldoende vermogen hebben om signalen over zulke afstanden te verzenden.
Het ontbreken van een geschikte zender is verre van het enige probleem dat met alle middelen moet worden opgelost voordat een sonde naar een naburig sterrenstelsel wordt gestuurd. Even belangrijk is het vinden van een oplossing en het ontwerpen van een geschikt voedingssysteem voor de sonde. Toch zullen onderzoekers het optimisme niet verliezen, aangezien de wetenschap niet stilstaat. Het is bijvoorbeeld goed nieuws dat laboratoria al enkele van de ultralichte materialen hebben ontwikkeld die nodig zijn om dit project uit te voeren.
"Het kan een tot twee decennia duren om zo'n interstellair zonnezeil te bouwen", zegt Heller.
De wetenschapper voegt er ook aan toe dat het oppervlak van het zeil zo moet worden ontworpen dat het de golven van de blauwe en rode gebieden van het zichtbare spectrum reflecteert, en mogelijk verder daarbuiten.
"We hebben de technologie nog niet, maar nogmaals, in de afgelopen jaren hebben wetenschappelijke laboratoria zeer grote vooruitgang geboekt en hebben onderzoekers materialen gevonden die tot 99,9% van het lichtvolume kunnen reflecteren."
Heller en Hippke zullen hun gedetailleerde visie presenteren aan het leiderschapsteam van het Breakthrough Starshot Initiative tijdens de komende Breakthrough Discuss die in april in Palo Alto, Amerika zal worden gehouden.
"We willen heel graag van hen horen en hun mening horen over ons voorstel, aangezien deze groep onder andere bestaat uit werelddeskundigen op het gebied van onderzoek naar interstellaire reizen met behulp van lichte zeilsystemen", zegt Heller.
NIKOLAY KHIZHNYAK