Met een ruimteschip niet groter dan een duimnagel richting Alpha Centauri

Moet dit ons naar oneindig verafgelegen nieuwe werelden brengen?

Project Breakthrough Starshot moet ons dieper de ruimte in brengen dan ooit. Eén probleem: de technologie bestaat nog niet. Aan de TU Delft denken ze graag mee.

Een 'laserbombardement' van twee minuten moet de ruimtescheepjes op snelheid brengen vanaf de aarde.

Halverwege de presentatie haalt Pete Klupar een ruimteschip uit zijn binnenzak dat hij ogenschijnlijk achteloos toont aan de toehoorders in de Delftse collegezaal. Dit is het ruimteschip waarmee Alpha Centauri wordt bezocht, zegt de Amerikaan en laat het rondgaan door de zaal.

Wacht even. Ruimteschepen, dat zijn toch bestelbusgrote vehikels, bedoeld om astronauten en wetenschappelijke meetinstrumenten veilig door de extreme omstandigheden van de ruimte te loodsen? En nog iets: Alpha Centauri, dat is toch een sterrenstelsel dat lichtjaren van ons verwijderd is? In ruim een halve eeuw ruimtevaart is de mensheid er ternauwernood in geslaagd het zonnestelsel te verlaten, dus hoe wil Klupar in hemelsnaam een ander sterrenstelsel bezoeken? En nu we toch bezig zijn: het ruimteschip is niet groter dan een duimnagel. Moet dit ons naar oneindig verafgelegen nieuwe werelden brengen?

Wild plan

Dat is inderdaad de bedoeling. Klupar geeft leiding aan Breakthrough Starshot, een initiatief van onder meer Stephen Hawking en de Russische miljardair Yoeri Milner om te proberen met duizend ruimtescheepjes op bezoek te gaan bij Alpha Centauri, of preciezer: Proxima Centauri b, een aardeachtige planeet in dat sterrenstelsel waar mogelijk leven is.

Een wild plan, op zijn zachtst gezegd. Want de lijst met uitdagingen voor deze missie is oneindig. Klupar toont tijdens zijn presentatie aan studenten van de TU Delft het belangrijkste anderhalf dozijn. Alle van het kaliber: we-leven-in-de-jaren-zestig-en-we-willen-een-man-op-de-maan-zetten. Of misschien wel: jaren dertig.

Er zijn vragen over de aandrijving. Om een beetje snel (al is snel hier tamelijk relatief; zeg twintig tot dertig jaar) bij Alpha Centauri te komen, moet je minstens op eenvijfde van de lichtsnelheid reizen. Maar er bestaan geen raketten die ook maar in de buurt komen van deze snelheid. Dus er moet nieuwe aandrijftechnologie worden ontwikkeld. Klupar en zijn collega Pete Worden, beiden voormalige directeuren van NASA's onderzoeksinstituut Ames, leiden nu dit project. Ze denken aan een opstelling van tientallen krachtige lasers die gericht worden op een zeil van 4 vierkante meter waaraan het ruimtescheepje hangt. Door de botsende fotonen wordt het zeil in de ruimte voortgestuwd. Tijdens het laserbombardement van twee minuten versnellen zeil en ruimteschip met 60 duizend g. Eenmaal aangekomen remt het ruimteschip af en maakt het foto's, waarna de data met laserpulsen terug naar de aarde worden gestuurd. Die 'reis' duurt ook nog eens vier jaar.

Een ruimtezeil reflecteert het laserlicht vanaf de aarde en stuwt het ruimtescheepje voort.

Geen van technologieën bestaat

Maar er is dus dat probleempje: geen van deze technologieën bestaat. Ja, er zijn lasers, er zijn ruimtezeilen, maar de schaal waarop Starshot gebruik wil maken van de technologie bestaat niet. Neem het laserpark dat vanaf de aarde de ruimteschepen op snelheid moet brengen. Dat krijgt een totaal vermogen van 100 gigawatt. Dat is net zoveel als de maximale opbrengst van een kleine half miljard zonnepanelen. Geen idee hoe je al die energie opwekt, of opslaat, of door de atmosfeer moet jagen. En dan het zeil waaraan het ruimteschip komt te hangen. Dat moet al dat laserlicht kunnen reflecteren. Om precies te zijn: 99,99995 procent, anders verdampt het. Bestaat niet, zulk materiaal.

Dit is een van de redenen dat Klupar en Worden naar Delft zijn gekomen. Hier aan de TU Delft is grote kennis van materialen en wellicht dat hier de sleutel ligt voor een geschikt lichtzeil. In Delft werken onderzoekers aan nieuwe materialen, onder meer gebaseerd op grafeen, die mogelijk de sleutel vormen voor een geschikt zeil, dacht Jian-Rong Gao, als onderzoeker gespecialiseerd in ruimtevaartsensoren en werkzaam bij onderzoeksinstituut SRON en de TU Delft. Hij wist samen met enkele collega's de interesse van beide Petes te wekken en ze naar Nederland te halen.

'Er is een revolutie gaande in de materiaalkunde waarvoor nauwelijks aandacht is', zegt Klupar na afloop van zijn presentatie. 'Vooral op het gebied van emitteren en reflecteren zijn de ontwikkelingen spannend. Over tien jaar zijn er films die je op ramen plakt en die gebouwen kunnen verwarmen en koelen, zonder andere energie te hoeven gebruiken.' Zo'n film zal de energie-industrie ingrijpend veranderen, meent Klupar.

Ruimtezeil

Het totale ruimteschip inclusief zeil, waarvan er straks honderden moeten worden uit gezet, mag niet meer dan 1 gram wegen, omdat het anders onmogelijk is de lichtsnelheid (300 duizend kilometer per seconde) te benaderen. Om zelfs maar op 20 procent van de lichtsnelheid te komen, zijn enorme hoeveelheden energie nodig: 50 gigawatt netto laservermogen, de helft van het totaal opgesteld duurzaam vermogen in de VS. Daarmee kan deze ene gram tot 60duizend kilometer per seconde worden opgezweept. En zelfs dan vergt de reis nog twintig jaar.

Binnen handbereik

Beide mannen hebben in Delft al interessante ideeën opgedaan, zegt Worden. 'Voor sommige van de uitdagingen met het zeil lijkt hier een oplossing mogelijk. Het zou zomaar kunnen dat we over twee jaar kunnen beginnen met experimenteren.'

Delft heeft een goede naam bij de NASA. 'Op Ames werkt ruim een dozijn voormalige TU-studenten', zegt Worden. Een aantal sensoren van de universiteit werd geselecteerd voor NASA's ballonmissie Gusto. En geldschieter Milner heeft nadrukkelijk gevraagd wereldwijd kennis op te doen voor het project. 'De enige manier om het te laten slagen.'

Eén onderdeel lijkt inmiddels binnen handbereik: het ruimteschip. Op de kleine chip zitten vier camera's van 4 megapixel, een 1-watt-laserdiode voor datacommunicatie met de aarde. De 'spacechip' is niet groter dan 15 millimeter en weegt niet meer dan 370 milligram. Tot voor kort dachten de mannen dat het nog jaren zou vergen voordat de vereiste technologie zo klein en licht te maken zou zijn. Maar de ontwikkelingen in de consumentenelektronica gaan zo snel dat het nu al haalbaar blijkt. 'Je ziet tegenwoordig dat veel ruimtevaarttechnologie niet meer van ruimtevaartorganisaties komt, maar gewoon van de markt, waar ze is ontwikkeld voor andere toepassingen, zoals lasers voor glasvezelinternet en sensoren voor smartphones', zegt Worden.

In 2067 weten we het

De belangrijkste stimulans achter het project zijn overigens slinkende kosten. Kijk naar de dollarprijs per watt laservermogen. Die is de afgelopen decennia exponentieel gedaald, laat Klupar zien. Het vermogen per dollar is juist op vergelijkbare wijze gestegen, bijna zoals de wet van Moore voor processorsnelheid. 'We kunnen deze lijntjes eenvoudig doortrekken om te zien wanneer we tegen aanvaardbare kosten voldoende laservermogen kunnen kopen', zegt Klupar. Dat is ergens halverwege de jaren twintig. De bouw en lancering van het laserpark en de satellietjes vergen nog eens jaren, net als de reis, die twintig tot dertig jaar duurt. Zo rond 2067 moet de mensheid weten of er leven is bij Alpha Centauri.

Waarom moet het ruimteschip eigenlijk zo snel kunnen? Door de menselijke factor, aldus Klupar. 'Een project als dit moet binnen een mensenleven af te ronden zijn.' Weinigen zijn bereid hun wetenschappelijke leven te wijden aan een project dat pas na hun dood vruchten zal afwerpen, denkt hij. 'Kijk eens naar ondernemingen: er zijn er maar weinig ouder dan honderd jaar. Alleen enkele instituten als universiteiten en kerken zijn zo oud.' Dus moet het project binnen een mensenleven passen en daarom moet een ruimteschip worden ontwikkeld dat de reis binnen afzienbare tijd kan voltooien. 'Vandaar het streven iets te bereiken wat in de buurt komt van de lichtsnelheid.'

De 'spacechip'

Het ruimteschip is niet meer dan een kleine chip waarop diverse componenten zijn gemonteerd. Het totaal is 15millimeter groot, kleiner dan het moederbord van een Apple Watch. Er zitten straks onder meer vier camera's van 4 megapixel op, een 1-watt-laserdiode voor communicatie met de aarde en een kleine batterij. Totaalgewicht: 370 milligram. Het zeil van een kleine 4 vierkante meter mag ook nog eens een gram wegen, maar liever minder.