In het afgelopen decennium zijn er duizenden planeten ontdekt buiten ons zonnestelsel. Dit heeft geleid tot een hernieuwde interesse in ruimteverkenning, waaronder de mogelijkheid om ruimtevaartuigen te sturen om exoplaneten te verkennen. Gezien de uitdagingen die daarmee gepaard gaan, worden momenteel een aantal geavanceerde concepten verkend, zoals het aloude concept van een licht zeil (zoals geïllustreerd door Doorbraak Starshot en soortgelijke voorstellen).
In de afgelopen jaren hebben wetenschappers echter een potentieel effectiever concept voorgesteld dat bekend staat als het elektrische zeil, waarbij een zeil bestaande uit gaas elektrische ladingen opwekt om zonnewinddeeltjes af te buigen, waardoor momentum ontstaat. In een recent onderzoek vergeleken en vergeleken twee Harvard-wetenschappers deze methoden om te bepalen welke voor verschillende soorten missies voordeliger zouden zijn.
Het onderzoek is onlangs online verschenen en wordt beoordeeld voor publicatie door Acta Astronautica, werd uitgevoerd door Manasavi Lingam en Abraham Loeb - een assistent-professor aan het Florida Institute of Technology (FIT) en de Frank B. Baird Jr. Professor of Science aan de Harvard University en de directeur van het Institute for Theory and Computation (ITC), respectievelijk.
Het concept van een licht zeil is van oudsher, waarbij een ruimtevaartuig uitgerust met een groot vel reflecterend materiaal de stralingsdruk van een ster (ook bekend als zonnewind) gebruikt om in de loop van de tijd te versnellen. Een groot voordeel van deze technologie is dat er geen ruimtevaartuig nodig is om zijn eigen brandstoftoevoer te vervoeren, wat doorgaans het grootste deel van de massa van een ruimtevaartuig uitmaakt.
Dit is vooral belangrijk als het gaat om interstellaire reizen, aangezien de hoeveelheid reactiemassa nodig is om zelfs maar een fractie van de lichtsnelheid te bereiken (c) zou geweldig zijn. En in tegenstelling tot begrippen als antimaterie-voortstuwing of concepten die steunen op fysica die nog niet is getest (of zelfs hypothetisch), gebruiken zonne- / lichte zeilen technologie en fysica die op dit punt volledig zijn bewezen.
Een ander voordeel is dat een licht zeil kan worden versneld met andere middelen dan zonnestraling. Zoals Lingam via e-mail aan Space Magazine uitlegde:
'Lichte zeilen kunnen worden' geduwd 'door laserarrays of door zonne- / sterstraling. In beide gevallen is het belangrijkste voordeel van lichte zeilen dat men de brandstof niet aan boord hoeft te dragen, in tegenstelling tot chemische raketten. Dit vermindert de massa van het ruimtevaartuig aanzienlijk, omdat de meerderheid van de massa in chemische raketten het gevolg is van de brandstof. Hetzelfde voordeel geldt ook voor elektrische zeilen. ”
De afgelopen jaren zijn er echter variaties op dit concept ontwikkeld, zoals het magnetische zeil (ook bekend als "magsails") dat Robert Zubrin en Dana Andrews in 1988 hebben voorgesteld, en het elektrische zeil dat Pekka Janhunen in 2006 heeft voorgesteld. de eerste, een supergeleidende lus zou een elektrisch veld opwekken, terwijl de laatste een magnetisch veld zou opwekken via een zeil van kleine draden - die beide zonnewind zouden afstoten.
Deze concepten hebben enkele opvallende verschillen met conventionele zonne- of lichte zeilen. Zoals Lingam uitlegde:
“Elektrische zeilen vertrouwen op de overdracht van momentum van de geladen zonne- / stellaire winddeeltjes (protonen in ons voorbeeld) door ze via elektrische velden af te buigen, terwijl lichte zeilen vertrouwen op momentumoverdracht van fotonen die door de ster worden uitgezonden. Zo drijft de wind van de ster elektrische zeilen aan, terwijl de door de ster uitgezonden elektromagnetische straling lichte zeilen aandrijft. ”
Interessant genoeg zijn magnetische zeilen door sommige onderzoekers beschouwd als een mogelijk middel om een licht zeil te vertragen naarmate het zijn bestemming nadert. Eén zo'n persoon is Prof.Claudius Gros van het Instituut voor Theoretische Fysica Goethe Universiteit Frankfurt, en Andreas Hein en Kelvin F. Long - de hoofdonderzoekers van Project Dragonfly (een concept vergelijkbaar met Doorbraak Starshot).
Alle drie de concepten zijn in staat om de door sterren uitgezonden straling om te zetten in momentum, maar hebben ook een deel van hun nadelen. Om te beginnen zijn elektrische zeilen sterk afhankelijk van de eigenschappen van hun gaststerren. Lichte zeilen daarentegen worden grotendeels ineffectief gemaakt als het gaat om M-type (rode dwerg) sterren omdat de stralingsdruk niet hoog genoeg is om voldoende snelheid te genereren om aan een sterrensysteem te ontsnappen.
Dit is een nogal beperkend probleem, aangezien de lage massa, ultracoole M-type dwergen de overgrote meerderheid van sterren in het heelal vertegenwoordigen - goed voor 75% van de sterren in de Melkweg. Rode dwergen hebben ook een ongelooflijk lange levensduur in vergelijking met andere klassen van sterren en kunnen tot 10 biljoen jaar in hun hoofdreeks blijven. Daarom verdient een voortstuwingssysteem dat gebruik kan maken van rode dwergsystemen de voorkeur over langere tijdschalen.
Vanwege deze overwegingen probeerden Lingam en Loeb te bepalen welke methode van interstellaire reizen de voorkeur zou hebben (lichte zeilen of elektronische zeilen) met betrekking tot verschillende klassen sterren - F-type (wit), G-type (geel), K- type (oranje) en M-type sterren. Na rekening te hebben gehouden met de stralingseigenschappen van elke klasse, hebben ze rekening gehouden met de waarschijnlijke massa van het ruimtevaartuig - op basis van de parameters die zijn vastgesteld door Doorbraak Starshot.
Wat ze ontdekten was dat een ruimtevaartuig in combinatie met een elektrisch zeil een betere voortstuwing vertegenwoordigt in de nabijheid van de meeste soorten sterren, en niet alleen voor ruimtevaartuigen op gramschaal zoals (wat is vereist met Starshot). Uit de berekeningen van Lingam en Loeb bleek echter ook dat het aanzienlijk langer zou duren voordat een ruimtevaartuig met elektrische zeilen de snelheden zou bereiken die interstellair reizen praktisch zouden maken.
“In plaats daarvan, als men kijkt naar lichte zeilen aangedreven door laserarrays (zoals Breakthrough Starshot), is het dan mogelijk om direct relativistische snelheden (bijvoorbeeld 10% van de lichtsnelheid) te bereiken via lichte zeilen; Daarentegen behalen elektrische zeilen die worden aangedreven door stellaire winden een snelheid van slechts 0,1% van de lichtsnelheid, ”zei Lingam.
Terwijl een elektrisch zeil 0,1 kon halen c uiteindelijk schatten ze, omdat ze herhaaldelijk in de buurt van sterren zouden komen, dat dit in de loop van een miljoen jaar 10.000 ontmoetingen zou vergen. Zoals Lingam het uitdrukte:
“[E] leszeilen vormen een levensvatbare manier om interstellaire reizen te maken. Alle technologische soorten die deze methode willen gebruiken, zouden echter een lange levensduur moeten hebben, aangezien dit hele proces van het bereiken van relativistische snelheden ongeveer 1 miljoen jaar zou vergen. Als dergelijke langlevende soorten bestaan, vormen elektrische zeilen een redelijk handige en energiezuinige manier om de Melkweg over lange tijdschalen (miljoenen jaren) te verkennen.
Hoewel 1 miljoen jaar in kosmische termen niet veel meer is dan een oogwenk, is het ongelooflijk lang in termen van de levensduur van beschavingen - tenminste door onze normen. Als soort bestaat de mensheid al ongeveer 200.000 jaar en registreert ze pas haar geschiedenis voor ongeveer 6000. Sterker nog, we zijn de laatste 60 jaar slechts een ruimtevarende beschaving geweest.
Ergo, een zeil dat kan worden versneld door lasers, blijft de meest praktische manier om exoplaneten in ons leven te verkennen. Een andere implicatie voor deze studie is hoe het de zoektocht naar buitenaardse intelligentie (SETI) zou kunnen informeren. Bij het zoeken in het heelal naar tekenen van technologische activiteit (ook bekend als technosignaturen), worden wetenschappers gedwongen te zoeken naar tekens die ze zullen herkennen.
Gezien de voordelen van een elektrisch zeil, is het mogelijk dat een buitenaardse beschaving deze technologie zou verkiezen boven soortgelijke. Zoals Prof. Loeb via e-mail aan Space Magazine uitlegde:
“Onze berekeningen impliceren dat geavanceerde beschavingen waarschijnlijk het gebruik van elektrische zeilen boven lichte zeilen voor voortstuwing bevorderen, gebaseerd op de natuurlijke output van sterren in de vorm van wind of straling. Als een technologische beschaving echter snelheden wil bereiken of grote ladingen wil lanceren die niet kunnen worden voortgestuwd door de kracht van hun gastster, dan is het waarschijnlijk dat ze de voorkeur geven aan lichte zeilen die worden geduwd door hun kunstmatig geproduceerde lichtstraal, zoals een krachtige laser. De situatie is vergelijkbaar met het verschil tussen zeilboten die de wind gebruiken die gratis door de natuur wordt geleverd, vergeleken met grotere of snellere boten die worden voortbewogen met kunstmatige middelen zoals een motor. ”
Helaas, zo voegde Loeb eraan toe, zijn elektrische zeilen niet gemakkelijk waarneembaar op grote afstanden omdat ze bestaan uit geëlektrificeerde draadgaas en geen voor de hand liggende technische handtekeningen uitstralen. "Daarom", concludeert hij, "zou SETI zich in de eerste plaats moeten richten op het zoeken naar lichte zeilen, die zichtbaar zijn door lekkage van hun lichtbundels over de grenzen van het zeil nabij hun lanceerplaatsen of omdat ze zonlicht reflecteren wanneer ze dichtbij de Zon, net als asteroïden of kometen van vergelijkbare grootte. '
Lingam en Loeb benadrukken echter ook dat elektrische zeilen om precies dezelfde reden een aantrekkelijke optie kunnen zijn voor een buitenaardse beschaving. Behalve dat ze energiezuinig zijn, zijn elektrische zeilen niet onderhevig aan overloop en kunnen ze dus onopgemerkt van het ene stersysteem naar het andere reizen. Een mogelijke oplossing voor de Fermi-paradox? Misschien!
Deze studie geeft in ieder geval aan dat onze huidige plannen om naburige sterrenstelsels te onderzoeken, zich zouden moeten concentreren op concepten die snelheid boven levensduur benadrukken. Dit betekent wel dat het inzetten van elektrische of magnetische zeilen (die eeuwenlang het heelal zouden kunnen blijven verkennen) een slecht idee is, maar een missie die in ons leven in een ander sterrenstelsel terecht kan komen, lijkt voorlopig de beste optie.
