211service.com
Een halo-aandrijving kan interstellaire ruimtevaartuigen versnellen tot bijna de lichtsnelheid
Röntgenfoto: NASA/CXC/Universiteit van Amsterdam/N.Rea et al; Optisch: DSS
In 2016 onthulden natuurkundige Stephen Hawking en miljardair Yuri Milner een plan om naar de sterren te reizen. Het zogenaamde Breakthrough Starshot-project is een programma van $ 100 miljoen om de technologieën te ontwikkelen en te demonstreren die nodig zijn om een nabijgelegen sterrenstelsel te bezoeken. Mogelijke doelen zijn onder meer Proxima Centauri, een systeem op zo'n vier lichtjaar afstand met verschillende exoplaneten, waaronder één aardachtig lichaam dat in een baan rond de bewoonbare zone draait.
Het plan van Hawking en Milner was om duizenden kleine ruimtevaartuigen ter grootte van microchips te bouwen en licht te gebruiken om ze te versnellen tot een relativistische snelheid - een die zo dicht bij de lichtsnelheid ligt. Het grote aantal vergroot de kans dat er tenminste één veilig zou aankomen. Elke starchip zou worden bevestigd aan een licht zeil ter grootte van een badmintonveld en vervolgens worden gezapt met enorm krachtige lasers op de grond.
Laseraandrijving heeft verschillende voordelen. Het belangrijkste is dat het ruimtevaartuig geen brandstof hoeft te vervoeren, waardoor hun massa enorm wordt verminderd. Het moet ook in staat zijn om de lichte zeilen te versnellen tot een snelheid tot 20% van de snelheid van het licht. In dat tempo zou een starchip in minder dan 30 jaar bij Proxima Centauri aankomen.
De fantastisch krachtige lasers die nodig zijn voor een dergelijke missie zullen bijzonder moeilijk en duur zijn om te ontwikkelen. En dat roept een voor de hand liggende vraag op: is er een andere manier om relativistische snelheden te bereiken?
Vandaag krijgen we een soort antwoord dankzij het werk van David Kipping, een astronoom aan de Columbia University in New York. Kipping heeft een nieuwe vorm van zwaartekracht-katapult bedacht, dezelfde techniek die NASA bijvoorbeeld heeft gebruikt om het Galileo-ruimtevaartuig naar Jupiter te sturen. Het idee is om een ruimtevaartuig te versnellen door het langs een enorm object zoals een planeet te laten vliegen. Op deze manier steelt het ruimtevaartuig enige snelheid van de beweging van de planeet en stuwt het op zijn reis.
Zwaartekrachtkatapulten werken het beste rond enorm massieve lichamen. In de jaren zestig berekende de natuurkundige Freeman Dyson dat een zwart gat een ruimtevaartuig kon versnellen tot relativistische snelheden. Maar de krachten op het ruimtevaartuig als het zo'n object naderde, zouden het waarschijnlijk vernietigen.
Daarom heeft Kipping een slim alternatief bedacht. Zijn idee is om fotonen rond een zwart gat te sturen en vervolgens de extra energie die ze winnen te gebruiken om een lichtzeil te versnellen. Kinetische energie van het zwarte gat wordt als een blauwverschuiving naar de lichtstraal overgebracht en bij terugkeer versnellen de gerecyclede fotonen niet alleen, maar voegen ze ook energie toe aan het ruimtevaartuig, zegt Kipping.
Het proces hangt af van het enorm krachtige zwaartekrachtveld rond een zwart gat. Omdat fotonen een kleine maar meetbare rustmassa hebben, kan dit veld licht in een cirkelvormige baan vangen.
Het werk van Kipping is gebaseerd op een iets andere baan die een foton dat door een ruimtevaartuig wordt uitgezonden rond het zwarte gat en terug naar het ruimtevaartuig stuurt - een soort boemerangbaan. Tijdens deze reis halen de boemerangfotonen kinetische energie uit de beweging van het zwarte gat.
Het is deze energie die een ruimtevaartuig kan versnellen dat is uitgerust met een geschikt lichtzeil. Kipping noemt dit een halo drive. De halo-aandrijving brengt kinetische energie over van het bewegende zwarte gat naar het ruimtevaartuig door middel van een zwaartekrachthulp, zegt Kipping, erop wijzend dat het ruimtevaartuig geen eigen brandstof verbruikt tijdens het proces.
Omdat de halo-drive gebruikmaakt van de beweging van een zwart gat, kan deze het beste worden toegepast op binaire systemen waarin een zwart gat in een baan om een ander object draait. De fotonen halen dan energie uit de beweging van het zwarte gat op geschikte punten in zijn baan.
En de schijf zou moeten werken voor elke massa die aanzienlijk kleiner is dan het zwarte gat. Kipping zegt dat dit voertuigen van planeetformaat zou kunnen toestaan. Een voldoende geavanceerde beschaving zou dus met relativistische snelheden van het ene deel van de melkweg naar het andere kunnen reizen door van het ene binaire systeem met zwarte gaten naar het andere te springen. Een geavanceerde beschaving zou het concept van licht zeilen kunnen gebruiken om relativistische en uiterst efficiënte voortstuwing uit te voeren, zegt hij.
Hetzelfde mechanisme kan ook ruimtevaartuigen vertragen. Dus deze geavanceerde beschaving zou waarschijnlijk zoeken naar paren van binaire zwarte-gatsystemen om als versnellers en vertragers te fungeren.
De Melkweg bevat ongeveer 10 miljard binaire zwart-gatsystemen. Maar Kipping wijst erop dat er waarschijnlijk slechts een beperkt aantal trajecten zijn die ze met elkaar verbinden, dus deze interstellaire snelwegen zijn waarschijnlijk waardevolle regio's.
Natuurlijk gaat de technologie om dit concept te exploiteren op dit moment ver buiten het vermogen van de mensheid. Maar astronomen zouden moeten kunnen uitzoeken waar de beste interstellaire snelwegen liggen en dan zoeken naar de technologische kenmerken van beschavingen die ze zouden kunnen exploiteren.
Dat klinkt allemaal erg leuk, en critici zouden kunnen beweren dat het weinig meer is dan voer voor sciencefictionfans. Misschien.
Maar het starchip-concept wordt al tientallen jaren besproken, meestal aan de rand van de wetenschap. In het kielzog van de aankondiging van Hawking en Milner heeft het project plotseling voet aan de grond gekregen. Inderdaad, de eerste starchip-technologieën zijn al getest in een lage baan om de aarde en de eerste missie is gepland voor rond 2036, voor een bedrag van $ 5 tot $ 10 miljard.
Dat is een ambitieus doel, maar zelfs als we rekening houden met verschillende vertragingen, is interstellaire reizen waarschijnlijk mogelijk binnen honderd jaar na de eerste uitstapjes van de mensheid naar de ruimte. Dat is een snelle vooruitgang. En het suggereert dat elke beschaving met zelfs maar een kleine voorsprong op ons aanzienlijk grotere vooruitgang had kunnen boeken.
Referentie: arxiv.org/abs/1903.03423 : The Halo Drive: brandstofvrije relativistische voortstuwing van grote massa's via gerecyclede boemerangfotonen