Interstellaire ruimtevaart: “Hoezo onmogelijk?”

DOOR FREDERIK CEYSSENS. In 2016 is het 500 jaar geleden dat de Engelse humanist Thomas More zijn boek Utopia publiceerde in Leuven. Om dat te vieren heeft de denktank Metaforum onderzoekers uitgedaagd hun utopische toekomstdroom voor te stellen. In deze blog is het de beurt aan Frederik Ceyssens, die een lans breekt voor interstellaire ruimtevaart.

Geschreven door Frederik Ceyssens. Hij is ingenieur, research fellow van het FWO en werkt aan microsystemen en neurale interfacing aan het departement ESAT-MICAS.

Interstellaire ruimtevaart is het bezoeken van een planeet die rond een andere ster dan onze zon draait, gebruik makend van een al dan niet bemand ruimtetuig. De laatste tijd worden er meer en meer van dergelijke planeten ontdekt. En misschien zijn die zelfs bewoonbaar. Met de snelheid waarmee onze huidige ruimtetuigen rondvliegen moet je er niet aan denken om lichtjaren ver te reizen. Om een voorbeeld te geven: met de toch al behoorlijke 17 km/sec van de Voyager ruimtesondes is het 70 000 jaar tot aan de dichtstbijzijnde ster. Maar is dat echt het beste wat we kunnen doen?

Frederik Ceyssens

Tekenfilmraketten

Op mirakels hopen doe ik niet. Ik denk niet dat we ooit met quasi goddelijke krachten de ruimte gaan kunnen verbuigen tot wormgaten of sneller dan het licht reizende warp bubbles. De relativiteitstheorie leert ons nochtans hoe dat in principe moet. Maar helaas zijn de benodigde hoeveelheden energie (genre ‘zet een hele planeet in energie om’) en materialen totaal onrealistisch. Ook hoop ik niet op een plots veranderen van de natuurwetten. Hoop is in deze zelfs schadelijk, dan begin je nooit aan de veel prozaischer weg: een sterk opgevoerde versie van de raketten en ruimtezeilschepen die we nu al kennen.

Zoals je weet versnelt een raket door massa aan de achterkant uit te stoten. Actie en reactie. De snelheid waarmee de massa wordt uitgestoten noemen we Ve. Ook belangrijk is de massaverhouding (Mv): de verhouding van het gewicht met volle brandstoftanks tot het gewicht wanneer die leeg zijn. Nu is er een eenvoudige vergelijking, de raketvergelijking van Tsiolkovsky, die uit deze twee getallen de maximale snelheid (Delta-V) afleidt van een raket die uit stilstand vertrekt. Deze is eenvoudigweg:

Delta-V = Ve * ln (Mv)

Het is dus goed om een hoge massaverhouding te hebben. Maar die kan je niet oneindig opvoeren. Rakettenbouwers maken nu al gebruik van trucs zoals een meertrapsraket. Daarbij wordt een deel van de raket afgeworpen als hij niet meer nodig is, waardoor wat aan massaverhouding gewonnen wordt. Dit verklaart meteen de hoge kost van de huidige ruimtevaart: eigenlijk kost een raket niet meer dan een verkeersvliegtuig, maar dat gaat decennia mee terwijl een raket een eendagsvlieg is.

isr01

(c) ‘Our wonder world’, 1918

Met meerdere trappen en een goede massaverhouding haal je 4 à 5 keer Ve. Met de Ve die de beste chemische brandstoffen opleveren is dat maar net genoeg snelheid om tot de maan en terug te vliegen. 99% van de raket speel je onderweg helaas kwijt. Een pijnlijk contrast met de raketten uit de tekenfilms, die gewoon opstijgen en landen waar ze willen, hoe vaak ze willen en in één stuk aankomen. Maar zijn ze daarom onrealistisch? Nee, die tekenfilmraket vliegt gewoon niet op primitieve chemische brandstoffen.

Sterrenschepen met raketaandrijving

De maximale snelheid van een meertrapsraket is ongeveer 5 keer de snelheid waarmee hij zijn massa uitstoot (Ve). Om echt snel te gaan met een raket hebben we dus maar één optie, en dat is een hoge Ve. Die is echter niet haalbaar met chemische brandstoffen. Niet erg: echte sterrenvaarders reizen nucleair. Per kilo bevat uranium immers ongeveer 10 miljoen keer meer energie dan de beste chemische brandstof. Wanneer kernfusie binnenkort goed zal lukken, halen we nog meer energie per kilo uit alomtegenwoordig waterstof.

Die hoge energie vertaalt zich naar een snelheid van de nucleaire reactieproducten van gemiddeld 3% van de lichtsnelheid. Als je deze Ve in de raketvergelijking steekt en wat naar beneden afrondt omdat niets ideaal is, lijkt een goede 10% van de lichtsnelheid in principe haalbaar.

Kunnen we dat ook praktisch? U verwacht in de verre toekomst – en voor de meeste voorstellen die je in de wetenschappelijke literatuur vindt is dat ook zo – maar in een ruwe vorm kunnen we al sterrenvaren sinds de jaren 1950. Uit de kernwapenproeven die toen nog in de open lucht op een handig te bereiken plaats dichtbij Las Vegas gehouden werden bleek o.a. dat (a) een putdeksel op een schacht waarin een kleine atoombom tot ontploffing gebracht werd met ongeveer 5x de ontsnappingssnelheid van de Aarde kan worden weggeschoten en (b) objecten zoals een met grafiet bedekte stalen bol een kernexplosie kunnen doorstaan, zelfs indien ze op slechts 10 meter van de bom geplaatst worden.

Dit vormde – samen met berekeningen van überwiskundige Stanislav Ulam – één van de argumenten voor het starten van Project Orion, een ontwerp van een ruimtetuig dat door kleine atoomexplosies voortgedreven zou zijn. Vanop de aarde opstijgen bleek al gauw niet het beste idee, maar de ruimte is al radioactief dus vanaf zekere hoogte was straling geen bezwaar. In 1967 vond dit – tot in de jaren 80 geheime – project geen steun meer. Fysicus Freeman Dyson berekende later dat een grote, door thermonucleaire explosies aangedreven versie tot 3% van de lichtsnelheid zou kunnen halen.

Zeilschepen

Terwijl uw onderbewustzijn zich rustig mag bezighouden met het feit dat naar de sterren vliegen in principe mogelijk is met technologie uit de tijd van den bompa, vermeld ik voor de volledigheid ook nog voorgestelde princiepsontwerpen gebaseerd op minder gewelddadige concepten zoals (nog volop in ontwikkeling zijnde) gecontroleerde kernfusie. Het bekendste voorstel heet Project Daedalus, dat op dit moment gereviseerd wordt door een team vrijwilligers onder de naam Icarus Interstellar. Hiermee lijkt ongeveer 10% van de lichtsnelheid haalbaar.

Als we ooit tonnen antimaterie kunnen maken, is zelfs een snelheid die tegen de lichtsnelheid aanschuurt mogelijk. De reactieproducten van een waterstof-antiwaterstofbotsing bewegen namelijk tegen maar liefst 58% van de lichtsnelheid. Omdat dit toch nog heel ver weg houden we het verder op een bescheiden snelheid van 10% c. Die haal je met uranium en waterstof, brandstoffen die we tenminste nu al op onze planeet hebben.

Mocht u van het soort zijn dat bij het horen van het woord ‘kernenergie’ onder tafel kruipt: in de wetenschappelijke literatuur vind je ook zeilschepen. Het is namelijk mogelijk om een zeil voort te duwen met bijvoorbeeld een sterke laser die ergens in de ruimte hangt en zijn energie haalt uit zonnepanelen. Het gaat dan wel snel over duizenden vierkante kilometers zonnepanelen en gigantische lasers, en is dus wel de minst radioactieve maar niet de goedkoopste methode. Ook is afremmen niet eenvoudig, maar je kan daarvoor eventueel wel een van de methodes van hierboven gebruiken. Een groot voordeel is dat je laser en zonnepanelen maar één keer moet bouwen om ze dan voor een groot aantal zeilschepen te kunnen gebruiken.

(c) The Las Vegas Sun

(c) The Las Vegas Sun

Kathedralenbouwers

Reizen aan een 10% van de lichtsnelheid betekent natuurlijk een hele verbetering, maar reistijden zullen duren nog altijd gemakkelijk honderd jaar zijn en waarschijnlijk eerder meerdere honderden jaren. We moeten dus ook werk maken van technologie die lang meegaat (laat u niet afschrikken door de levensduur van uw smartphone, die is gemaakt om kapot te gaan. De jaren-70 elektronica van de Voyager sondes gaat nog altijd mee), van cryogene technieken als er later levende wezens meemoeten (raad ik de eerste keren niet aan), goedkopere lanceertechnieken om al dat leuks in de ruimte te krijgen (komen er zeker aan dankzij mensen als Alan Bond en Elon Musk), zo veel mogelijk miniaturisatie om gewicht en kost naar beneden te krijgen, enzovoort. Daarnaast zijn er ook stevige maatschappelijke uitdagingen aan de hele onderneming verbonden. Wie meewerkt aan een interstellair project weet immers dat hij het einde niet zal zien.

Zal daar ooit iemand daar beginnen? In de juiste context, zeker. Een mooie analogie is de bouw van de Gothische kathedralen in de middeleeuwen. Het leven was kort en vaak hard. Desalniettemin staken de beeldhouwer, de architect en de financier van de projecten hun tijd en middelen in iets wat hen ver oversteeg in tijd, ruimte en geest. Omdat kathedralen en waar ze voor stonden belangrijk waren. Om naar de sterren te reizen moeten we weer kathedralenbouwers worden. Interstellaire ruimtevaart zal in de toekomst één van de dingen zijn die wetenschap, levensbeschouwing en spiritualiteit weer naar elkaar toe zullen doen groeien.

Laat het duidelijk zijn dat interstellaire reizen – geschatte kost gelijkaardig aan die van een stevige oorlog voor een relatief bescheiden onbemande sonde, de op dit moment sterk dalende lanceerkosten al in rekening gebracht – niet ondernomen zullen worden omdat het ‘toffe projectjes’ zijn. Ze zijn enkel denkbaar indien genoeg mensen overtuigd zijn van de diepe existentiële noodzaak om niet in onze gezellige hoek van het heelal rustig het einde af te wachten, maar eeuwig te blijven exploreren en ontdekken. En om er voor te zorgen dat het leven dat op aarde ontstond niet zal sterven op aarde – of het nu morgen is door inslag van een asteroïde die we niet zagen aankomen of binnen een miljard jaar als de zon de oceanen wegkookt. Dat laatste is trouwens zelfs al mogelijk met een bescheiden onbemande sonde: een bescheiden hoeveelheid algen en eencelligen kan gemakkelijk worden meegenomen, en een geschikte levenloze planeet op lange termijn in een tweede Aarde veranderen. Als mensen er nooit zouden geraken, zal het complexere leven er op den duur zelf wel komen door evolutie.

De ultieme consequentie van duurzaamheid

Goddelijke krachten zullen we nooit krijgen. Maar met een ruimteschip een snelheid van ongeveer 10% van de lichtsnelheid halen is in principe nog mogelijk. Dit vertaalt zich in reistijden van enkele eeuwen naar de dichtstbijgelegen sterren.

Ik ben ervan overtuigd dat we in de toekomst weer in eeuwen en zelfs in millennia gaan leren denken, een onvermijdelijk logisch gevolg van het streven naar duurzaamheid. We gaan als planeet een hoogtechnologische versie van de eilandstaatjes in de stille zuidzee zoals Tikopia en Tonga worden, waar duizenden jaren lang mens en natuur in evenwicht leefden. Als we dat niet doen, worden we een ex-hoogtechnologische versie van Paaseiland. Onze jaartelling zal vijf en later zes en zeven cijfers beslaan. Onze geschiedenis wordt onkenbaar.

Maar is stilstand niet altijd achteruitgang? Kijk naar het middeleeuwse China, dat zich in zichzelf opsloot. Wat gaan we doen met onze duurzame samenleving als we ze eens hebben? Rustig zwelgen in ontspanning, kunst en cultuur en netjes georganiseerd het einde afwachten? Hell no. Er zijn nog eilandjes te zien in de verte. En één van de dingen die de generaties aan elkaar zal binden en het bestaan zin zal geven, zal het verkennen van de verre ruimte zijn. Uit liefde voor het leven. Met geduld. In vrede. Maar vastbesloten.


Eén reactie


Reageer

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s