Waar u in de ruimte kunt reizen, hangt af van hoeveel drijfgas u aan boord van uw raket heeft en hoe efficiënt u deze kunt gebruiken. Je hoeft ze alleen maar te vangen.
En op dit moment test het nieuwe LightSail 2-ruimtevaartuig van de Planetary Society hoe goed het zal werken.
Zonnezeilen zijn een ingenieus idee dat Johannes Kepler in de jaren 1600 voor het eerst bedacht, omdat hij zich voorstelde dat zeilen en schepen konden worden aangepast aan ruimtevaart. Natuurlijk begreep hij de fysica nog niet helemaal.
Maar met grote ontdekkingen in de deeltjesfysica en kwantummechanica aan het begin van de 20e eeuw, realiseerden wetenschappers zich dat licht zelf zou kunnen werken als een wind die een zeil in de ruimte waait.
Hoewel fotonen geen massa hebben, kunnen ze momentum geven wanneer ze tegen een sterk reflecterend oppervlak stuiteren - dit is een licht zeil. Het is niet veel, maar in het vacuüm van de ruimte is er geen luchtweerstand om het zeil te vertragen. Met voldoende fotonen en voldoende tijd kan een licht zeil accelereren tot ongelooflijk hoge snelheden.
Met behulp van een chemische raket zou je de hele massa van het waarneembare heelal kunnen omzetten in raketbrandstof en je zou een klein ruimtevaartuig niet sneller laten gaan dan 0,2% van de lichtsnelheid. Maar een licht zeil kan je theoretisch tot relativistische snelheden brengen, reizend van ster naar ster in een mensenleven.
Aangezien er onbeperkt gratis drijfgas van de zon komt en enorme snelheden mogelijk zijn, waarom zijn er dan niet overal zonnezeilen?
Goede vraag.
Het is een vraag waar de Planetary Society al jaren door geobsedeerd is, en ze hebben eindelijk een echt zonnezeil gelanceerd om te proberen uit te zoeken hoe goed ze echt werken.
In 2005 probeerden ze het eerste zonnezeil ter wereld te lanceren, Cosmos 1, maar een raketstoring vernietigde het. Daarna gingen ze weer aan het werk, ontwikkelden LightSail 1, dat in 2015 werd gelanceerd en met succes hun zonne-zeilimplementatie in de ruimte testte.
En tot slot was de Planetary Society in 2019 klaar om daadwerkelijk te gaan zeilen in de ruimte.
Op 25 juni 2019 schoot een SpaceX Falcon Heavy weg van Cape Canaveral in Florida met 24 ruimtevaartuigen voor de STP-2-missie van de Amerikaanse luchtmacht. Dit was de derde keer dat de Falcon Heavy werd gelanceerd, en we hoopten allemaal dat hij met succes de middelste fase zou bereiken. Eh, niet zozeer, dat staat nog steeds op de takenlijst. Maar daar gaat deze video niet over.
Hoe dan ook, Falcon Heavy droeg, naast de mysterieuze satellieten van de luchtmacht, LightSail 2 van de Planetary Society aan boord van zijn Prox-1 carrier-ruimtevaartuig, dat hij op een hoogte van 720 kilometer vrijgaf.
Op 23 juli 2019 zette het ruimtevaartuig zijn zonnezeil in.
Het opende zijn scharnierende zonnepanelen en rolde vervolgens vier meetlintenachtige zeilbomen uit, waarbij de vier driehoekige zeilen werden uitgerold, met een oppervlakte van 32 vierkante meter.
Het is belangrijk op te merken dat dit ruimtevaartuig klein is, met een gewicht van slechts 5 kg of 11 pond, ongeveer zo groot als een brood.
Terwijl het rond de aarde cirkelt, zwaait het ruimtevaartuig zijn zeilen in en uit het zonlicht, waarbij elke periode zijn baan met een paar honderd meter per dag verhoogt.
Dit klinkt geweldig, helaas heeft LightSail 2 niet de besturingssystemen aan boord om de hoek zorgvuldig genoeg te regelen om voor onbepaalde tijd in een baan om de aarde te blijven.
Terwijl het zijn baan aan de ene kant van de aarde met honderden meters per dag verhoogt, kan hij de zeilen niet precies genoeg kantelen om te voorkomen dat zijn baan aan de andere kant van de planeet wordt verlaagd. Uiteindelijk zal het in de atmosfeer van de aarde duiken en opbranden.
Maar hopelijk hebben ingenieurs van de Planetary Society eindelijk geleerd hoe praktisch een zonnezeil kan zijn voor ruimteverkenning.
Het is nog steeds in een baan om de aarde en stuurt geweldige foto's terug van onze thuisplaneet.
Nu LightSail 2 van de Planetary Society gegevens naar huis stuurt en missiecontrollers leert om in de ruimte te zeilen, zullen dit waardevolle lessen zijn voor toekomstige missies die deze technologie zouden kunnen gebruiken als een echte voortstuwingsmethode.
Een missie in de maak is NASA's Near-Earth Asteroid Scout of NEA Scout. Deze Cubesat-missie zou als secundaire lading kunnen vliegen met de eerste test van NASA's Space Launch System, de onbemande EM-1-missie, die al in juni 2020 zou kunnen starten.
Na te zijn ingezet vanuit de Orion-capsule, zou NEA Scout zijn zonnezeilen, tweemaal zo groot als LightSail 2, ontvouwen en vervolgens twee jaar reizen naar een asteroïde in de buurt van de aarde om het van dichtbij te bestuderen.
We kennen het doelwit nog niet, maar een mogelijke bestemming is misschien het nabij-aardobject 1991 VG, dat in 1991 werd ontdekt kort voordat het de afstand van de aarde tot de maan passeerde. En toen kwam het terug in augustus 2017. We willen die rots in de gaten houden als een potentiële bedreiging, maar ook als een schatkamer aan metalen en mineralen die de toekomstige verkenning van het zonnestelsel kunnen helpen ondersteunen.
Een andere missie die een zonnezeil zou kunnen gebruiken, is het Japanse Oversize Kite-vaartuig voor verkenning en ruimtevaart in het buitenste zonnestelsel of OKEANOS. Dit zou een missie zijn naar de Trojaanse asteroïden, die zich op de L4- en L5 Sun-Jupiter Lagrange-punten bevinden.
Dit is een ideale plek om asteroïden te bestuderen, omdat Jupiter en de zwaartekracht van de zon een groot aantal op één plek hebben gevangen en een missie gemakkelijk veel verschillende asteroïden kan bemonsteren.
OKEANOS zou een hybride zonnezeil hebben, bedekt met zonnepanelen die het ook zou gebruiken om zijn instrumenten en ionenmotor van elektriciteit te voorzien.
Japan was een van de eerste landen die ooit een zonnezeil testte, met hun IKAROS-missie die in 2010 werd ingezet, en bereikte uiteindelijk honderden meters per seconde snelheid met behulp van het zonnezeil.
OKEANOS komt misschien zelfs met een lander. Dankzij hun ervaring met Hayabusa2 en asteroïde Ryugu heeft de JAXA enorm veel geleerd over het landen en verzamelen van monsters van kleine asteroïden.
Als alles goed gaat, wordt OKEANOS halverwege de jaren 2020 gelanceerd aan boord van een H-IIA-lanceervoertuig, waarbij verschillende zwaartekrachtassistenten worden gebruikt om de reis naar Jupiter te maken. En als de missie echt succesvol is, kan het zelfs een monster van een Trojaanse asteroïde naar huis brengen.
NASA overweegt zelfs om een zonnezeil toe te voegen aan de Deep Space Lunar Gateway. Tijdens een speciaal planningsevenement voor de Deep Space Gateway in 2017 presenteerden leden van de Canadian Space Agency het concept van een zonnezeil dat aan het station kon worden toegevoegd. Het voortdurende licht van de zon zou een constante stuwkracht leveren die het station zou kunnen gebruiken om zijn baan zonder voortstuwing te behouden. Gehouden aan een Canadese robotarm - wat nog meer - zou een zonnezeil van 50 vierkante meter het station 9 kg hydrazine per jaar kunnen besparen, wat duur is om van de aarde naar de maan te dragen.
Een missie die je waarschijnlijk kent, is het Breakthrough Starshot-concept. In plaats van licht van de zon als voortstuwing te gebruiken, hoopt Breakthrough Starshot krachtige lasers te gebruiken die kleine satellieten versnellen tot interstellaire snelheden.
Dit zou het eerste ruimtevaartuig kunnen zijn dat ooit beelden van een ander zonnestelsel naar huis stuurt. We hebben hier een hele aflevering over gedaan en nog een zwaardere laserzeilmissie genaamd Project Dragonfly.
Helaas duurt het langer voordat ruimteagentschappen zonnezeilen in hun missies opnemen dan ik had gehoopt. Het is begrijpelijk, ze zijn gecompliceerd en kwetsbaar en vereisen een nauwkeurige oriëntatie. Het is logisch dat missieplanners beproefde chemische raketten of efficiënte ionenmotoren zouden gebruiken om hun ruimtevaartuig door het zonnestelsel te stuwen.
Maar naarmate meer en meer zonnezeilen worden gelanceerd en getest, zullen ingenieurs meer vertrouwen krijgen in de beste manieren om ze als onderdeel van een missie te gebruiken. Ik kan me een toekomst voorstellen wanneer bijna elke missie een back-up zonnezeil aan boord heeft, voor het geval er iets misgaat met de hoofdmotor.
Ik ben altijd gefascineerd geweest door de mogelijkheid van zeilen op zonne-energie, en ik heb elke ontdekking bekeken en stap met opwinding naar voren. Ik ben erg blij dat de Planetary Society zo ver is gekomen met hun tests. Ze deden de hele missie voor $ 7 miljoen dollar, gefinancierd door leden van de Planetary Society, particulieren en een Kickstart-campagne. Als je deze en toekomstige missies wilt ondersteunen om het zonnestelsel te verkennen, ga dan naar planetary.org voor meer informatie.
