In Starshot, het gedurfde plan om kleine schepen naar Alpha Centauri . te schieten

Foto van Philip Lubin die op het strand loopt Michelle Groskopf

Sterrenschipconferenties trekken een hoopvolle menigte: onderzoekers, uitvinders en hobbyisten die enthousiast zijn over het idee om ruimtevaartuigen te bouwen die tussen sterrenstelsels kunnen vliegen. De opwinding bij deze bijeenkomsten kan het gevoel geven dat alles mogelijk is, maar ook alsof niets mogelijk is. Veel van de voorgestelde regelingen zijn te vaag en bevatten bijna altijd te veel technologische leemten.

In 2015 betrad Philip Lubin, een kosmoloog van de University of California, Santa Barbara, het podium van het 100-jarige Starship Symposium in Santa Clara. Hij schetste zijn plan om een ​​laser te bouwen die zo krachtig is dat hij kleine ruimtevaartuigen kan versnellen tot 20% van de snelheid van het licht, en ze in slechts 20 jaar naar Alpha Centauri kan brengen. We zouden binnen één generatie interstellaire ontdekkingsreizigers kunnen worden. Het was nogal een haak.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2019

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Omdat Lubin een uitstekende spreker in het openbaar is, en omdat de onderliggende technologieën al bestonden, en omdat de wetenschap deugdelijk was, werd hij na de lezing lastiggevallen. Hij ontmoette ook voor het eerst Pete Worden, een voormalig onderzoeksdirecteur van het Ames Research Center van NASA. Worden was onlangs het hoofd van de Breakthrough Initiatives, een non-profitprogramma dat wordt gefinancierd door de Russische technologiemiljardair Yuri Milner. Zes maanden later kreeg het project van Lubin $ 100 miljoen aan financiering van Breakthrough en de goedkeuring van Stephen Hawking, die het de volgende grote sprong in de kosmos noemde.

Starshot is eenvoudig, althans in theorie. Bouw eerst een enorme reeks matig krachtige lasers. Koppel ze aan elkaar - wat phase lock wordt genoemd - om een ​​enkele straal te creëren met maximaal 100 gigawatt aan vermogen. Richt de straal op sterk reflecterende lichtzeilen die zijn bevestigd aan ruimtevaartuigen met een gewicht van minder dan een gram en al in een baan om de aarde. Zet de straal een paar minuten aan en de fotondruk blaast het ruimtevaartuig op tot relativistische snelheden.

In Lubin's UC Santa Barbara-lab bestudeert de experimentele kosmologiegroep het vroege universum. Door Lubin's onderzoek naar gerichte energie te combineren met andere passies zoals voortstuwing heeft Starshot geholpen zich te ontvouwen. Ms Tech / originele foto's: Michelle Groskopf

Zo'n technologie zou niet alleen kunnen worden gebruikt om sensoren naar een ander sterrenstelsel te sturen; het zou grotere vaartuigen naar de naburige planeten en manen van de aarde kunnen sturen. Stel je een pakket naar Mars voor in een paar dagen, of een bemande missie naar Mars in een maand. Starshot krimpt effectief het zonnestelsel, en uiteindelijk de melkweg.

Het is fantastisch. En ook een droom. Of een verkooppraatje. Of een langetermijnproject dat niet lang genoeg kan worden volgehouden voor de niet-bestaande technologieën die nodig zijn om te worden gebouwd.

Lubin is een jonge 66. Hij loopt snel, en zijn dikke haar en volle baard zijn donker. Toen ik hem in april in Santa Barbara ging ontmoeten, vertelde hij me dat hij een serieus kind was geweest, verstoord door de realiteit van de wereld. Hij zocht troost in wiskunde en wetenschap omdat hij ze mooi vond. Ik hield van school, legt hij uit. Ik studeerde altijd. Het was als een toevluchtsoord voor mij: fiets naar de bibliotheek en verslind boeken.

Toch had hij niet verwacht dat hij een academisch pad zou volgen - het leek niet mogelijk. Zijn familie hechtte veel waarde aan onderwijs, maar zijn Litouwse vader, die als postbode werkte, studeerde nooit af van de middelbare school. Zijn in Rusland geboren moeder was een secretaresse. Ik ben opgegroeid met een internalisering dat college voor andere mensen was, zegt hij. Na aanmoediging van een schooladviseur in Los Angeles ging hij echter naar de community college; leraren daar spoorden hem aan om over te stappen naar UC Berkeley. En daar spoorden zijn professoren hem aan om zich aan te melden voor een graduate school. Uiteindelijk belandde hij op Harvard. Als ik erop terugkijk, zegt hij, was ik een totale knokkel.

Tegenwoordig is Lubin een kosmoloog. Een groot deel van zijn carrière heeft hij apparatuur gebouwd om de achtergrondstraling van het universum te meten, maar zijn wetenschappelijke en technische interesses lopen uiteen. Op een conferentie over defensietechnologieën, waar hij sprak over het gebruik van lasers om de aarde te verdedigen tegen inkomende asteroïden en kometen, kwam hij voor het eerst op het idee voor Starshot.

Michelle Groskopf

Hij vertelt me ​​ook over een andere obsessie: voortstuwing. De meeste raketten werken tegenwoordig op vloeibare brandstof, net zoals ze deden toen Duitsland de V2 uitvond tijdens de Tweede Wereldoorlog. Ter vergelijking: de afgelopen 75 jaar in de informatica hebben geleid tot een biljoenvoudige snelheidstoename. Zou het niet mooi zijn als de voortstuwing zo vooruit kon gaan? zegt Lubin. De SLS - de superzware raket van NASA, die al $ 12 miljard heeft gekost en nog steeds niet klaar is - zou minder dan een cent kunnen kosten.

De laboratoria van Lubin aan de UC Santa Barbara hebben een rommelig magazijn dat typerend is voor experimentele fysica-opstellingen: gigantische spoelen van optische vezels, rekken met oscilloscopen, gereedschapskisten, printplaten. Een kast voor oplosmiddelen, een andere voor snacks.

Terwijl we door de laboratoria lopen, is hij er snel bij om te erkennen dat Starshot nog steeds voor veel uitdagingen staat. Er is bijvoorbeeld nog geen laser die krachtig genoeg is om dit soort explosies te doen. Er zijn geen lichte zeilen die zo'n straal kunnen opvangen zonder te worden uitgewist. Er zijn maar liefst ruimtevaartuigen ter grootte van een gram om de reis te maken, en er blijven vragen over lasertoevoer en laserlocatie. En dan zijn er nog de ethische en geopolitieke implicaties van het bouwen van zo'n krachtige gerichte energiebron. Het kan immers ook een wapen zijn.

Op het whiteboard begint postdoctoraal onderzoeker Peter Krogan me door de oplossingen voor deze problemen te leiden. Als eerste: het bouwen van de laserarray.

Michelle Groskopf

De uitdaging hier is om uit te zoeken hoe je de frequentie van miljarden lasers, elk 10 centimeter in diameter, vast kunt stellen en ze kunt stabiliseren zodat ze kunnen worden gecombineerd tot een enkele grote straal. Door meer bundels aan elkaar te vergrendelen, kan de sterkte van de laser worden opgeschaald naar de voorgestelde niveaus. Het huidige werkplan van het team is voor een array op de grond, die de kosten lager houdt dan wanneer het in een baan om de aarde zou worden geplaatst, maar andere complicaties toevoegt, zoals het overwinnen van atmosferische interferentie. Hiervoor is een baken nodig dat aan het ruimtevaartuig is bevestigd en een signaal terug door de atmosfeer stuurt, zodat de lasers op de grond zich op hun doelwit kunnen fixeren. Om de array te koppelen, werkt Krogan aan geneste fasevergrendeling, waarbij een kleinere array wordt gesynchroniseerd voordat de volgende laag in de array wordt geplaatst, enzovoort. Als dit kan werken voor twee laserlagen - hun directe onderzoeksdoel - dan is het misschien mogelijk om het te doen voor de vijf lagen die volgens simulaties het beste zijn voor een straal van 100 gigawatt.

De tweede grote uitdaging is het zonnezeil. Hoewel het concept al tientallen jaren bestaat, werd het pas met succes ingezet in 2010, toen het Japanse Ikaros-ruimtevaartuig een zeil van 14 meter (46 voet) vierkant testte tijdens zijn missie rond de zon. Maar een zeil dat de zachte druk van zonnefotonen aankan, verschilt drastisch van een zeil dat bestand is tegen de krachtigste laser die ooit is gebouwd - het verschil tussen een aprilmist op je gezicht laten komen en geteisterd worden door een brandslang.

Om dit voor elkaar te krijgen, moet het Starshot-zeil extreem robuust zijn, maar ook extreem licht van gewicht. De sleutel, legt Krogan uit, is om een ​​deel van die kracht door te laten lekken: het materiaal van het zeil moet tegelijkertijd transparant en reflecterend zijn. Glas is een van de meest veelbelovende kandidaten, hoewel de eigenschappen ervan moeten worden aangepast om de perfecte mix van reflectiviteit en transparantie te bereiken. Het ideale materiaal moet nog worden uitgevonden, maar er zijn veelbelovende ontwikkelingen, zegt Krogan.

Prashant Srinivasan is een van degenen die werken aan laser-aangedreven ruimtevaartuigen op waferschaal waarvan de groep hoopt dat ze Alpha Centauri binnen een generatie kunnen bereiken. Michelle Groskopf

De derde grote uitdaging is het bouwen van het kleine ruimtevaartuig. De kleinste objecten die op dit moment in een baan om de aarde draaien, zijn kubussen, die aan elke kant 10 centimeter zijn en ongeveer een kilogram wegen. Het team van Lubin wil het hele vaartuig verkleinen tot de grootte van een microchip - wat ze waferschaal noemen. Ze hebben prototypes verkleind tot de grootte van een luciferdoosje en zelfs een kwart. Maar hun best werkende modellen wegen momenteel ongeveer 100 gram, nog steeds 100 keer te zwaar voor de Alpha Centauri-missie. Obstakels zijn onder meer het integreren van de elektronica en fotonica, het bestand maken tegen de straling in de diepe ruimte, het verkleinen van de stroomvoorziening, het ontwikkelen van een ultrakleine boordschroef … de lijst gaat maar door.

Maar hoewel de technische uitdagingen reëel zijn, is het grote verschil tussen Starshot en vele andere interstellaire projecten dat er geen nieuwe fysica of zelfs fundamenteel nieuwe technologieën voor nodig zijn. Toen Lubin het idee aan het ontwikkelen was, stuurde hij de details naar collega's voor feedback. Het waren mensen die het aan flarden scheurden, zegt hij. De mensen die geen gevangenen nemen en geen genade hebben en zich helemaal op hun gemak voelen door te zeggen: 'Jij idioot!'... Ik zei: 'Vernietig dit alsjeblieft, want ik ben het zat om eraan te werken.' Uiteindelijk zei iedereen met wie ik sprak , 'Nou, het zou moeten werken.'

Tegen de tijd dat de technische experts van Breakthrough het concept doorgelicht hadden, was de omtrek solide. Worden was enthousiast. We waren er allemaal van overtuigd dat dit de eerste echt plausibele interstellaire technologie was die we in ons leven zouden kunnen doen en betaalbaar zou zijn, zegt hij.

En zelfs als niet alle problemen worden opgelost, is het de moeite waard om er een paar op te lossen, zegt hij. Het ontwikkelen van een volledig capabel ruimtevaartuig dat minder dan een gram weegt, zou bijvoorbeeld een grote revolutie zijn. Cubesats werden tot een paar jaar geleden door velen afgewezen; nu zijn er sterrenbeelden van. Chipsats, zegt hij, zullen snel volwassen worden en een revolutie teweegbrengen in wetenschap en communicatie. Goedkope, efficiënte laserarrays kunnen nuttig zijn voor taken zoals het wegduwen van ruimteafval. En dankzij de vooruitgang in lichtzeilen zouden ruimtevaartuigen op microschaal binnen ons eigen zonnestelsel andere planeten in maanden kunnen bereiken, niet in jaren. Dat gaat ons begrip van objecten in ons zonnestelsel en de zoektocht naar leven veranderen, zegt Worden. En commercieel gezien zal het enorm waardevol zijn bij het zoeken naar ruimtebronnen.

Er is echter één probleem dat niet door technologie kan worden opgelost: geopolitiek. Lasers zouden helpen zonnezeilen voort te stuwen, zegt Joan Johnson-Freese, een professor in nationale veiligheidszaken aan het US Naval War College, die ook in het Breakthrough-bord zit. Maar als je begint te praten over het afvuren van lasers, worden mensen erg nerveus.

Ze suggereert dat internationale overeenkomsten waarschijnlijk zouden zorgen voor het breedste en meest voordelige gebruik van zo'n krachtige laser. En het militaire potentieel van de ruimte is niet nieuw: tegenwoordig wordt alles wat China in de ruimte doet als dual-use beschouwd. Hetzelfde geldt voor de VS, zegt ze. China zou alles wat we doen als bedreigend kunnen interpreteren.

Een manier om vooruit te komen zou kunnen zijn om exploratie te democratiseren. Historisch gezien hebben de VS en andere grootmachten de ruimte gedomineerd, maar Starshot zou het kunnen openen voor landen die geen toegang hebben. Een land dat een vloot chipsats lanceerde, kon toegang krijgen tot communicatie, verkenning en commerciële verkenning die voorheen onbetaalbaar waren. Het is een zeldzaam project dat zulke grote technologische, wetenschappelijke, commerciële en geopolitieke implicaties heeft.

Michelle Groskopf

Het vereist wat zorgvuldig denken, en ook transparantie, en mogelijk internationale samenwerking en gesprekken op de lange termijn, zegt Lubin. Gelukkig hebben we wat tijd, want we zullen niet snel inzetten.

Dus wanneer wordt Starshot gerealiseerd? Een van de doelen is om tegen 2061, de 100ste verjaardag van de baanbrekende orbitale vlucht van Yuri Gagarin, sondes naar Alpha Centauri te krijgen. Dat is nog ver weg, vrijwel zeker na het leven van Lubin. Hij zegt dat het project alleen een kans heeft als mensen zich realiseren dat het op mijlpalen is gebaseerd, een roadtrip met veel punten onderweg.

Maar die lange horizon betekent dat er geld voor nodig is. De bijdragen van NASA zijn dit jaar verlopen. Ander geld is afkomstig van een anonieme filantroop. En tot nu toe moet de financiering van Breakthrough nog arriveren.

We zijn een nieuwe organisatie en we zitten nog in de opstartfase, zegt Worden, met de belofte dat het geld zal komen zodra de onderhandelingen tussen universiteiten, aannemers en regelgevers zijn afgerond.

Het is een puzzel, maar Lubin is niet bang voor een beetje complexiteit. Dat is precies waar dit hele streven over gaat. Dit is niet alleen een technologie voor eenmalig gebruik, zegt hij. Het zijn niet alleen wafels naar de sterren. Het zijn Cubesats naar Europa, of mensen snel naar Mars, of het vermogen om een ​​ruimtevaartuig op lage hoogte langer in een baan om de aarde te houden, of om de planeet te beschermen tegen externe bedreigingen zoals asteroïden. Als je de hele breedte van deze technologie niet begrijpt, mis je de schoonheid van de transformatie die het mogelijk maakt.

Kate Greene is een essayist, dichter en voormalig laserfysicus.

zich verstoppen