Ruimtevaartuigen kunnen naar verre sterren vliegen met zeilen met oppervlakken die lijken op die van cd's en dvd's om hen te helpen gecentreerd te blijven op laserstralen, zo blijkt uit een nieuwe studie.
Conventionele raketten aangedreven door chemische reacties zijn momenteel de dominante vorm van ruimtevoortstuwing. Ze zijn echter lang niet efficiënt genoeg om binnen een mensenleven een andere ster te bereiken. Hoewel, hoewel Alpha Centauri is het dichtstbijzijnde zonnestelsel op aarde, het ligt nog steeds op ongeveer 4,37 lichtjaar afstand, gelijk aan meer dan 25,6 biljoen mijl (41,2 biljoen kilometer), of meer dan 276.000 keer de afstand van de aarde tot de zon. Er zijn NASA's voor nodig Voyager 1 ruimtevaartuig, die in 1977 werd gelanceerd en in 2012 de interstellaire ruimte bereikte, ongeveer 75.000 jaar om Alpha Centauri te bereiken als de sonde de goede kant op zou gaan (wat niet het geval is).
Het probleem met alle stuwraketten die het huidige ruimtevaartuig gebruikt voor voortstuwing is dat het drijfgas dat ze bij zich dragen massa heeft. Lange reizen vereisen veel drijfgas, waardoor ruimtevaartuigen zwaar worden, wat op hun beurt meer drijfgas vereist, waardoor ze zwaarder worden, enzovoort. Dat probleem wordt exponentieel erger naarmate een ruimtevaartuig groter wordt.
Eerder onderzoek heeft gesuggereerd dat 'licht zeilen' een van de weinige technisch haalbare manieren is om een sonde binnen een mensenleven naar een andere ster te brengen. Hoewel licht niet veel druk uitoefent, hebben wetenschappers lang gesuggereerd dat het weinige dat het toepast een groot effect kan hebben. Talloze experimenten hebben inderdaad aangetoond dat "zonnezeilen" voor voortstuwing op zonlicht kunnen vertrouwen, gezien een voldoende grote spiegel en een lichtgewicht ruimtevaartuig.
Het $ 100 miljoen Breakthrough Starshot-initiatief, die in 2016 werd aangekondigd, is van plan zwermen ruimtevaartuigen ter grootte van een microchip naar Alpha Centauri te lanceren, elk met buitengewoon dunne, ongelooflijk reflecterende zeilen aangedreven door de krachtigste lasers ooit gebouwd. Volgens het plan vliegen ze tot 20% van de lichtsnelheid en bereiken ze Alpha Centauri in ongeveer 20 jaar.
Een zorg bij het gebruik van laserzeilen is dat als ze uitgelijnd raken met de voortstuwende laserstralen - die hier op aarde zullen worden gebaseerd, althans aanvankelijk, in Doorbraak Starshot's plan - ze kunnen wild afwijken van hun doelen. Nu hebben wetenschappers een nieuw zeil ontworpen en getest dat in principe zichzelf gedurende de vereiste paar minuten automatisch op een laserstraal kan houden, waardoor een ruimtevaartuig op koers kan blijven voor interplanetaire of zelfs interstellaire reizen.
Het nieuwe zeil is gebaseerd op structuren die bekend staan als buigingsroosters, waarvan de meest bekende versies te vinden zijn op cd's en dvd's. EEN diffractierooster is een oppervlak bedekt met een reeks microscopisch kleine ribbels of spleten op regelmatige afstanden die licht kunnen verstrooien of diffunderen, waardoor verschillende golflengten of lichtkleuren in verschillende richtingen reizen.
Een opname op een cd of dvd wordt gecodeerd in de vorm van microscopisch kleine putjes van verschillende lengtes die in rijen met dezelfde breedte en gelijke afstanden worden geplaatst, en laserstralen kunnen deze schijven scannen om hun gegevens te lezen. Deze rijen vormen een diffractierooster op de spiegeloppervlakken van cd's en dvd's die wit licht kunnen splitsen in de vele kleuren waaruit het bestaat, wat resulteert in de regenboogpatronen die je op deze schijven kunt zien.
"Als je ooit het prachtige lichtspel van een compact disc hebt onderzocht, heb je de effecten van diffractie gezien", zegt senior auteur Grover Swartzlander, een optisch fysicus aan het Rochester Institute of Technology in New York, tegen Space.com .
De onderzoekers bouwden een zeil bestaande uit twee naast elkaar geplaatste diffractieve roosters. Elk rooster was gemaakt van uitgelijnde vloeibare kristallen die zich in een plastic folie bevonden. Soortgelijke vloeibare kristallen worden vaak gebruikt in de elektronische displays van videoschermen en digitale horloges.
Eerdere ontwerpen voor lichte zeilen werken als spiegels die lichtstralen terug naar hun bronnen reflecteren. In het nieuwe ontwerp buigen de vloeibare kristallen in elk diffractierooster de lichtstralen onder een hoek af, waardoor krachten worden gegenereerd die het zeil zowel achterwaarts als zijwaarts sturen.
Het rooster aan de linkerkant van het nieuwe zeil weerkaatst licht rechts van de laserstraal, terwijl het rooster aan de rechterkant licht naar links afbuigt. Als het zeil drijft, zodat de laserstraal aan weerszijden van het zeil valt, wordt het zeil weer op zijn plaats gedrukt en valt het licht op het midden van het zeil.
Bij tests van hun experimentele zeil moesten de wetenschappers de microscopische krachten detecteren die het zeil genereerde als reactie op een laser, terwijl ze die krachten konden onderscheiden van storingen zoals gebouwtrillingen of luchtstromen.
'We waren gefrustreerd toen we ontdekten dat onze metingen niet betrouwbaar waren als de vloer door het gewicht van een klein persoon zou zakken', zei Swartzlander. 'Uiteindelijk hebben we geschikte locaties en methoden gevonden om storingen te voorkomen.'
De onderzoekers ontdekten met succes dat het zeil hercentrerende krachten genereerde die het terug in lijn brachten met een laserstraal.
'Het was zeer bevredigend om te ontdekken dat de experimentele resultaten overeenkwamen met onze theoretische voorspellingen', zei Swartzlander. "Deze overeenkomst suggereert dat we met vertrouwen meer complexe diffractieve structuren kunnen ontwerpen voor lichte zeilen aangedreven door zonlicht of een laserstraal."
De onderzoekers experimenteren nu met zeilen die zichzelf kunnen centreren als ze in een willekeurige richting drijven, niet alleen naar links of rechts. "Interessant is dat deze optische eigenschappen hebben die sterk lijken op het diffractieve karakter van compact disks," zei Swartzlander.
In de toekomst, zo suggereerden de onderzoekers, konden hun zeilen worden getest op het internationale ruimtestation ISS of op een kleine satelliet rond de aarde. Ze hebben gedetailleerd hun bevindingen online 13 december in het tijdschrift Physical Review Letters.
- Gallery: Visions of Interstellar Starship Travel
- Ongelooflijke technologie: ruimtevaart en verkenning
- 10 exoplaneten die buitenaards leven zouden kunnen hosten
