211service.com
Femto-ruimtevaartuig zou kunnen reizen naar Alpha Centauri
Vorig jaar kondigde een klein team van astronomen de ontdekking aan van een aardachtige planeet in een baan rond de rode dwergster Proxima Centauri, een van onze naaste buren in het Alpha Centauri-systeem. Deze exoplaneet, Proxima Centauri b genaamd, bevindt zich in de bewoonbare zone rond zijn gastheer. Al het water daar zou in vloeibare vorm moeten bestaan, waardoor deze planeet een belangrijke kandidaat is in de zoektocht naar buitenaards leven.
Bijgevolg heeft Proxima Centauri b veel belangstelling gewekt. Het is ongeveer 40 biljoen kilometer van de aarde, een afstand die het licht in iets meer dan vier jaar aflegt. Een ruimtevaartuig dat met ongeveer een tiende van de lichtsnelheid reist, zou de reis in ongeveer 50 jaar kunnen maken.
En dat roept een interessante vraag op. Is het mogelijk om een ruimtevaartuig te bouwen dat we naar Proxima Centauri kunnen sturen binnen de levens van de mensen die nu leven?
Vandaag krijgen we een soort antwoord, dankzij het werk van Andreas Hein en vrienden van het Institute for Interstellar Studies in Londen, VK. Deze jongens hebben plannen opgesteld voor een ruimtevaartuig van gramformaat dat de reis zou kunnen maken, uitgerust met een suite op instrumenten die rudimentaire waarnemingen van het sterrenstelsel kunnen doen en de resultaten terug naar de aarde kunnen sturen. Ze noemen hun femto-ruimtevaartuig de Andromeda-sonde en zeggen dat het binnen een paar jaar op weg zou kunnen zijn naar Proxima Centauri en zijn zustersterren.
Maar er is een voorbehoud. Hoewel sommige van de technologieën die nodig zijn voor deze reis nu of in de nabije toekomst beschikbaar zijn, zijn andere veel speculatiever.
Het basisontwerp is eenvoudig. De Andromeda-sonde is in wezen het opgevoerde ingewanden van een smartphonecamera. Het bestaat uit een zwart-wit 12 megapixel camera, een lens, enkele traagheidssensoren en een magnetometer. Het heeft ook een nucleaire batterij, rudimentaire besturing en een communicatiesysteem. De totale massa van het voorgestelde ruimtevaartuig is 23 gram, zeggen Hein en co.
En het wordt voortgestuwd door laserlicht. Het idee, een idee dat verschillende anderen eerder hebben onderzocht, is om de Andromeda-sonde uit te rusten met een lichtzeil en deze naar Proxima Centauri te versnellen op het uiteinde van een enorm krachtige laserstraal. Deze laser zal in een baan om de aarde zitten met een continu vermogen van 15 gigawatt.
Hein en co geven een grondig overzicht van de technologische uitdagingen die komen kijken bij het bouwen van zo'n ruimtevaartuig (zo niet het lasersysteem).
Een van de meest kritieke uitdagingen is navigatie in de diepe ruimte. Een groot deel van de navigatienauwkeurigheid van de sonde zal afhangen van de aanwijsnauwkeurigheid van de laser. Het team zegt dat de nauwkeurigheid van nanoradianen voldoende zou zijn en dat verschillende huidige ruimtevaartuigen vergelijkbare vereisten hebben. De James Webb-telescoop heeft bijvoorbeeld een richtnauwkeurigheid van 24 nanoradiaal.
Maar het ruimtevaartuig zal van tijd tot tijd nog kleine aanpassingen moeten doen. En dit zal alleen mogelijk zijn als het met hoge nauwkeurigheid weet waar het is. Dit zou kunnen worden gedaan met behulp van de ingebouwde camera en traagheidssensoren voor het volgen van sterren, maar het is nog steeds een uitdagende taak.
Het ruimtevaartuig zal zich ook moeten oriënteren en objecten nauwkeurig moeten volgen. Met een snelheid van 0,1 lichtsnelheid zal het ruimtevaartuig in ongeveer zes dagen door het Proxima Centauri-systeem gaan. In die tijd moet hij zoveel foto's en andere observaties maken als hij aankan.
Dus het ruimtevaartuig zal zijn doelen moeten volgen en zichzelf er met hoge nauwkeurigheid op moeten richten, anders zijn de afbeeldingen nutteloos. En het zal dit autonoom moeten doen, omdat de communicatietijd van acht jaar ernstige beperkingen oplegt aan de hulp die grondcontrole kan bieden.
Hein en co identificeren verschillende manieren om het ruimtevaartuig te richten en van oriëntatie te veranderen. Cruciaal is dat verschillende van deze geen interne stroombronnen nodig hebben. Een idee is om de reflectie van delen van het lichtzeil te veranderen, zodat de laser een ongelijkmatige kracht uitoefent waardoor deze gaat draaien.
Een ander, meer energieverslindend idee is om een massa op een balk te verplaatsen, waardoor het ruimtevaartuig gaat roteren. Maar de favoriet van het team is om het zeil te voorzien van beweegbare flappen die koppel kunnen genereren en zo het ruimtevaartuig kunnen draaien.
Een van de problemen met interstellaire reizen is het risico om een stofdeeltje te raken. Bij een tiende van de lichtsnelheid zou zo'n botsing het ruimtevaartuig kunnen verdampen. Dus Hein en co zijn van plan om de sonde te bedekken met een grafeen Whipple-schild dat bestaat uit verschillende lagen die zijn ontworpen om elk deeltje uit elkaar te halen als ze door de lagen gaan, waardoor hun energie wordt verspreid.
Het risico van vernietiging roept een ander interessant idee op: het sturen van een zwerm ruimtevaartuigen. Dat vergroot de redundantie van de missie en het vermogen om gegevens te verzamelen. Het maakt ook beter gebruik van de laserstraal, die zich zal verspreiden, waardoor veel energie verloren gaat. Om deze redenen is een zwerm femto-ruimtevaartuigen logisch.
Dan is er het communicatiesysteem met de aarde, dat in staat moet zijn om alle foto's die het ruimtevaartuig maakt naar huis te sturen. Met een hoog vermogen en op afstanden van enkele lichtjaren zal dat waarschijnlijk veel tijd kosten.
Maar het kan op verschillende manieren verbeterd worden. Een idee is om een systeem voor gegevensvertrouwen op te zetten door femto-ruimtevaartuigen op verschillende tijdstippen te sturen om de signalen te onderscheppen en door te geven. Een andere mogelijkheid is om het zwaartekrachtsveld van de zon als lens te gebruiken om signalen van Proxima Centauri scherp te stellen. Dat zou betekenen dat we een ruimtevaartuig achter onze zon in een directe lijn met het doel moeten plaatsen, een andere moeilijke en dure taak.
De kracht aan boord is iets eenvoudiger. Dit zou een soort kernbatterij moeten zijn. Dit genereert warmte terwijl de radioactieve inhoud ervan vervalt en is een van de weinige componenten die ruim binnen de moderne technische limieten vallen.
Ten slotte is er de lastige vraag hoeveel dit alles zou kosten en wanneer zo'n missie zou kunnen worden verzonden. Hein en co nemen genoegen met het opmerkelijke bedrag van $ 11 miljoen van de ontwikkelingskosten van het eerste ruimtevaartuig. Dat lijkt ambitieus, al is het alleen voor het ruimtevaartuig.
Het houdt ook geen rekening met de veel hogere kosten die gepaard gaan met het ontwikkelen en lanceren van een laservoortstuwingssysteem van gigantische proporties. Een laser van 15 GW is een aanzienlijk beest. Dat is ongeveer een orde van grootte meer vermogen dan de capaciteit van de Drieklovendam in China, momenteel de krachtigste krachtcentrale ter wereld.
Hoewel sommige van de technologieën achter dit idee op korte tot middellange termijn haalbaar lijken, zijn er verschillende die dat niet zijn, met name het laseraandrijfsysteem. Evenmin lijken de kosten of het tijdschema volledig verankerd in de echte wereld.
Desalniettemin zeggen Hein en co dat hun rapport uitgaat van een lanceringsdatum ergens tussen 2025 en 2035.
Misschien wel de belangrijkste tekortkoming van deze missie is de wetenschappelijke beloning. De belofte hier is een paar smartphone-afbeeldingen van Proxima Centauri of zijn zustersterren in het Alpha Centauri-systeem.
De kans is groot dat deze afbeeldingen niet van hoge kwaliteit zijn en helemaal niets laten zien, en zeker niet Proxima Centauri b. Naar alle waarschijnlijkheid zullen we waarschijnlijk sneller betere foto's van deze exoplaneet kunnen maken met ruimtetelescopen in ons eigen zonnestelsel, zoals de James Webb Telescope.
Maar dat is om de geest van avontuur in deze missie te negeren. En daarom zou het onverstandig zijn om het uit te sluiten.
Er ontstaat een nieuwe ruimtewedloop terwijl particuliere ruimtevaartondernemingen het uitvechten over toegang tot een baan om de aarde. De doelen die het duidelijkst in hun vizier zijn, zijn: mensen in een baan om de aarde sturen, ze rond de maan sturen, asteroïden in de buurt en misschien zelfs op hen. Daarbuiten is er Mars.
Maar voor een ambitieuze ruimtevaartonderneming die naam wil maken, kunnen Proxima Centauri en zijn zustersterren een uitdagend voorstel doen. Hein en co kruisen zeker hun vingers.
Referentie: arxiv.org/abs/1708.03556 : The Andromeda Study: A Femto-Spacecraft Mission to Alpha Centauri