30 november 2020

Breakthrough Initiatives creëert momentum voor interstellaire reizen; in 20 jaar naar Alpha Centauri met laser ‘Starchips’ 

In 2015, het jaar waarin Breakthrough Initiatives gelanceerd werd, vroeg oprichter Yuri Milner zich hardop af of het mogelijk zou zijn om binnen één enkele generatie ruimtesondes te bouwen die het voor ons dichtstbijzijnde sterrenstelsel, Alpha Centauri, binnen redelijke tijd zouden kunnen bereiken. Breakthrough Starshot, (de Andere BI’s zijn Message en Listen), is momenteel hét project dat zich hiermee bezighoudt. In 2016 werd de aftrap gegeven voor Starshot, gevierd bovenop het New Yorkse One World Trade Center. Yuri Milner, oprichter van BI, maar ook fysicus en durfinvesteerder stak zelf miljoenen in het project. Voor het project werkt men aan lasernanosatellieten ‘nanocrafts’, die ongeveer de massa bezitten van een paperclip. De nanocrafts reizen met een snelheid van 60.000 km/s, (20 % van de lichtsnelheid) en zouden in zo’n 20 jaar Alpha Centauri kunnen bereiken. Deze snelheid wordt bereikt door een fotonmotor, een op aarde gebaseerd laserstation. Onderstaande tekst, over de stand van zaken betreffende Starshot, is een verkorte versie van een artikel van Simon ‘Pete’ Worden, een ‘interstellar-adept’ van het eerste uur, hij vertelt over de stand van zaken van Starshot. Worden heeft een PhD. in astrofysica, is emeritus professor van de Universiteit van Arizona en voormalig directeur van het Ames Research Center van NASA. Momenteel is hij uitvoerend directeur van Breakthrough Initiatives en ook betrokken bij het 100 Year StarShip project.

Alpha, Beta, Proxima Centauri, Credits; NASA

Sciencefiction
Met Starshot
zou een lang gekoesterde droom van vele scifi-liefhebbers, raketwetenschappers, ruimvaartingenieurs enz. werkelijkheid worden. Lange tijd immers behoorde interstellaire ruimtevaart, of liever gezegd het denken hierover, tot het exclusieve domein van sciencefiction. Met chemische raketten, ontworpen door ruimtevaartpioniers als Robert Goddard, Wernher von Braun. en Sergei Korolev konden (on)bemande ruimtereizen in ons zonnestelsel geconcretiseerd worden. Echter pas in het tijdperk van de kernenergie begonnen scifi-schrijvers en raketwetenschappers voorzichtig de mogelijkheid te overwegen om ook interstellair te gaan reizen.
Bekende natuurkundigen als Arthur C. Clarke, Freeman Dyson, Robert W. Bussard waren de eersten die voorstelden om nucleaire voortstuwing te gebruiken voor interstellaire ruimtevaart. Dyson bouwde enkele prototypes van ‘Orion’, een door fusiereacties aangedreven raket, voor interstellaire reizen. Echter, kernwapenrestricties, maakten concepten à la Orion onhaalbaar. Met een voorgestelde snelheid van 3,3 c (10.000 km/s) zou de Orion er ruim 120 jaar over doen het Alpha Centauri systeem te bereiken. De dichtsbijzijnde sterren zijn zo’n 100.000 x verder weg dan de planeten binnen ons zonnestelsel en om ze binnen een redelijke tijd te bereiken zal je minstens moeten reizen met 10-30 % van de lichtsnelheid, grofweg zo een duizend keer sneller dan de raketten nu.  

Fusieraket, Artistieke impressie credits; ITER

Chemisch versus kernraket
De conventionele chemische raketmotor zit inmiddels aan het plafond van de technische ontwikkeling wat betreft de bereikbare efficiëntie. De maat daarvoor is de specifieke impuls, Isp, gedefinieerd als het aantal seconden dat een motor met een kg stuwstof aan stuwkracht kan genereren. De best presterende raketmotoren verbranden LH/LOX en bereiken een Isp van 450 seconden. Men kan een brandstof van deze prestatie gebruiken om 10-30 procent van de lichtsnelheid te bereiken… maar de benodigde massa brandstof benadert de massa van onze Melkweg!, niet echt een optie dus. Nucleair-thermale raketaandrijving is efficiënter, en betekent een verdubbeling van de lsp i.v.m. de beste chemische raketmotoren. De nog efficiëntere gaskernreactor raketmotoren, zouden een lsp van 5000 kunnen halen, meer dan tien keer hoger dan die van de beste conventionele raketmotoren. Een fusieraketmotor heeft echter het potentieel voor een Isp van enkele honderdduizenden. Net als Dyson’s Orion zou men dan met 0.13-3 c, afhankelijk van het type, in enkele decennia Alpha Centauri kunnen bereiken. Orion werd na zeven jaar geschrapt maar kreeg navolging. In de jaren ’70-’90 werden het Britse project Daedalus, een robotische probe naar Barnard’s Star (12 % c) en NASA’s, project Longshot geinitieerd, welke als doel Alpha Centauri b had. Beiden bleven steken in de conceptfase. Nieuwe projecten zijn ICAN en AIMSTAR, het Britse Pulsar Fusion en de Winterberg fusiemotor. Het zijn resp. ontwerpconcepten van door antimaterie en kernfusie voortgestuwde nucleaire raketten.* En dan is er nog het ‘100 Year StarShip’ project. Het ‘100YSS’ is een subsidieproject van NASA en DARPA, aan private instellingen. Geregeld worden er 100YSS subsidies verstrekt aan organisaties die technologieën bestuderen welke interstellair reizen binnen een eeuw mogelijk zouden kunnen maken.

Sailing the ocean black’
Interstellaire reizen vereisen dus een voorstuwingssysteem ordes van grootte efficiëntere voortstuwing dan momenteel in gebruik. Een alternatieve benadering van interstellaire reizen is om de brandstof op aarde te houden en de energie naar een ruimtevaartuig te ‘stralen’. (De belangrijkste beperking van raketvoortstuwing komt voort uit de noodzaak om de brandstof met het ruimtevaartuig te vervoeren, dus het achterlaten van de brandstof en het gebruik van een voortstuwingsmethode op afstand zou een betere benadering zijn om de snelheid van het licht te bereiken.) Deze voortstuwing met gerichte energie is gebaseerd op het feit dat een elektromagnetisch foton momentum en energie draagt, en dat wanneer het foton wordt gereflecteerd of geabsorbeerd, het een object kan voortstuwen. Door zonlicht voortgestuwde ruimtezeilen werden in 2015 gedemonstreerd door de Planetary Society met het Lightsail-1 en door de Japanese IKAROS-sonde, gelanceerd in 2010. Maar niet overal is zonlicht. Het idee om enorme lasers te gebruiken om een ruimteschip, bevestigd aan een ‘lichtzeil’ (een dun, sterk reflecterend materiaal zoals Mylar), voort te bewegen tot sublichtsnelheid, werd uitgewerkt door fysicus/scifi-schrijver Robert Forward in de jaren 80. Veel later, in 2015, bevestigde professor Philip Lubin, Universiteit van Californië, dat ruimtevaartuigen van gram-klasse konden worden gebouwd en dat lasertechnologie voldoende gevorderd was om 100 gigawatt-lasers op kilometerschaal te bouwen. Het geheel was haalbaar en betaalbaar. Een gram-klasse ‘nanocraft’ bevestigd aan een 5-10 meter lichtzeil, voortgestuwd door een dergelijke laser, kan in het vacuüm van de ruimte snelheden bereiken van meer dan 10 % van de lichtsnelheid (30.000 km/s).

Artistieke impressie zonnezeil/satelliet credits; NASA

Vlaggeschip Breakthrough Starshot
B
reakthrough Starshot, het vlaggeschip van BI, beoogt dus een sonde bouwen die zo’n 20 procent van de lichtsnelheid bereikt. Met 60.000 km/s (t.v. het Apolloruimteschip ging met 11 km/s naar de maan) zou het ruim 20 jaar duren om het Alpha Centauri-systeem te bereiken (transittijd), dat 4,3 lichtjaar verwijderd is. Voor BS werd een expertpanel opgezet, met als voorzitter de planetair astronoom, Harvard professor Avi Loeb. Het lasergestuurde nanocraft van Lubin stond centraal, met het idee dat een voorstuwmethode op afstand een veel betere benadering zou zijn om subluminaal te reizen. Echter de door zonlicht voorgestuwde zeilen, Lightsail en Ikaros, die in 2010 en 2015 gedemonstreerd werden hebben een manco, niet overal is zonlicht voor handen. Het gebruik van apparatuur met gerichte energie, lasers en masers in combinatie met zeilen, was dus het uiteindelijk doel. Loeb’s expertpanel nam Lubins concept van laserlichtzeilen uitgebreid onder de loep, en concludeerde dat het een haalbare aapak was. De vooruitgang in de miniaturisatie van satellieten zou het binnenkort mogelijk  maken om een robuust ruimtevaartuig te bouwen dat geschikt is voor een interstellaire missie. In 2015 bundelden Loeb, Lubin en de BI-groep hun krachten en deden gezamelijk verder onderzoek naar deze lasergestuurde lichtzeil/nanocraft missie naar Alpha Centauri. Het team onderzocht of een systeem binnen enkele decennia kon worden gebouwd tegen een prijs die consistent was met grote wetenschappelijke experimenten zoals de James Webb Space Telescope en CERN’s Large Hadron Collider (10 miljard USD). KickSat prototype Sprite, femtosatelliet, Credits; wikimedia commons

Twee belangrijke ontwikkelingen maken een interstellair lasergestuurd ruimtevaartuig in de komende decennia mogelijk. De eerste is progressie in miniaturisatie, wat het bouwen van een gram-klasse nanocraft mogelijk maakt. En verder dalen de kosten van lasertechnologie snel door het toegenomen laservermogen. Komende decennia verwacht men om miljoenen diodes of fiberlasers samen te kunnen voegen op een golflengte van één micron. Dit zou een op de grond gebaseerde laser, 100 gigawattklasse, mogelijk kunnen maken binnen de beoogde kosten. Starshot heeft drie belangrijke technische uitdagingen geïdentificeerd die moeten worden aangepakt voordat men doorgaat naar de volgende ontwikkelingsfase. Ten eerste moet worden aangetoond dat miljoenen lasers kunnen worden gefaseerd over kilometerschalen voor de ‘foton-engine’ en dat de kosten binnen algemene beperkingen vallen. Verder moet kunnen worden aangetoond dat materialen voor het lichtzeil met een zeer hoog reflectievermogen mogelijk zijn. En ten derde moet duidelijk zijn dat de nanocraft wetenschappelijke resultaten kan communiceren naar de aarde, in het bijzonder planetaire beelden met hoge resolutie van de doelplaneet.

Starshot-Alpha Centauri
Starshot met als doel Alpha Centauri kent drie fasen. Fase 1, 100 miljoen USD, bestrijkt zo een vijf tot zeven jaar. en is bedoeld om de drie uitdagingen hierboven genoemd aan te pakken. In afwachting van een succesvolle afronding van fase 1, zal de tweede fase de bouw van een geschaald prototypesysteem, tijdsspanne tien jaar, zijn. Kosten 500 miljoen tot 1 miljard USD, geheel particulier gefinancierd. Fase drie, waarschijnlijk gefinancierd als een publiek-privaat partnerschap, kan 10 jaar duren, 10 miljard USD kosten en een volledig operationeel systeem bevatten. Dit uiteindelijke systeem zou bestaan uit een op de grond gebaseerde 100GW foton-‘motor’ op kilometerschaal gestationeerd in het zuidelijk halfrond (Alpha Centauri, op 61 graden zuid-declinatie, is alleen toegankelijk vanaf zuidelijke breedtegraden). Een in de ruimte gestationeerd moederschip in een elliptische baan met een apogeum van 60.000 km gericht in de richting van de doelster(ren), zou duizenden lasernanocrafts of ‘Starchips’ vervoeren. Er zal één nanocraft per dag worden gelanceerd. De grondlaser, gericht op het lichtzeil, zou zijn gerichte energiestraal tot tien minuten gebruiken om het te versnellen tot 60.000 km/sec. Het huidige systeemconcept voorziet in een bolvormig lichtzeil.

De laserstraal zou worden gefocust in een ringvormig straalpatroon om het nanoscheepje gecentreerd in de straal te houden en gericht op de doelster binnen een boogseconde. Kleine fotonische stuwraketten op het nanocraft zouden continu vuren om tijdens hun cruise-fase koerscorrecties tot een astronomische eenheid te leveren. De nanocraft zou binnen een paar miljoen kilometer van de doelplaneet vliegen om beelddata te verkrijgen. Om een bijzonder hoge resolutie te bereiken is een optisch systeem met een opening van enkele tientallen centimeters nodig. Er wordt geanalyseerd of het lichtzeil zelf of een gebruikt optisch systeem deze functie beter zou kunnen dienen. Nadat hij langs het doelsysteem gevlogen is, zou het nanocraft op de zon vergrendelen – verschoven ten opzichte van de voorspelde positie van de aarde – en beginnen met de data terug naar de aarde te verzenden m.b.v. een watt-klasse gepulseerde laser (hopelijk meer dan 100 afbeeldingen voor elke succesvolle nanocraft). De eerste onderzoeksfase begon in 2018 en omvatte enkele tientallen onderzoekscontracten (t.w.v. 100.000 USD elk) omtrent ieder van de drie grote onderzoeksgebieden. Dit jaar is er een ‘down-select’ voor labprojecten, de geselecteerde projecten zullen mogelijk ieder enkele miljoenen dollars toegewezen krijgen. Tenslotte zullen over enkele jaren technologiedemonstraties de belangrijkste conclusies gaan bevestigen. Dan rest uiteraard de hamvraag. Of er in de nabije sterrenstelsels iets interessants te zien valt.. Daarom hebben BI het Breakthrough Watch 2017 onderzoek uitgevoerd om de meest veelbelovende planeten te identificeren om te bezoeken in de nabijgelegen sterrenstelsels. Kort na de aankondiging van Starshot ontdekte astronomen van de European Southern Observatory in Chili, een planeet ter grootte van de aarde in een baan om Proxima Centauri, de kleine rode dwergster in het Alpha Centauri-systeem. De planeet werd Proxima b gedoopt. De planeet draait om de bewoonbare zone van deze ster, wat betekent dat er vloeibaar water op zijn oppervlak kan zijn en het leven kan ondersteunen zoals wij dat kennen. De kans om zo’n wereld van dichtbij te zien is een fantastisch vooruitzicht. Bronnen; S. Worden, Room.eu

*https://www.astroblogs.nl/2020/03/01/brits-pulsar-fusion-test-miniatuur-prototype-fusieraketmotor-voor-verre-ruimtereizen/

Comments

  1. Interessante ontwikkelingen, boeiend artikel.

  2. Enceladus zegt

    Maar hoe rem je, eenmaal daar aangekomen, eigenlijk af?

    Groet,
    Gert (Enceladus)

  3. Misschien moeten we gebruik maken van een omgekeerde tijdsdilatatie om af te remmen. Als we “t” kunnen manipuleren dan kunnen we de vertraging “v” of acceleratie kwadratisch beïnvloeden. Als… 🙂 . Persoonlijk ga ik voor moleculaire teleportatie d.m.v. het entanglement principe om me via kwantumsplitsing in meerdere entiteiten op te delen. Dat werk sneller dan de lichtsnelheid. Er wordt aan gewerkt…..maar dat kost tijd.

    • Ton van den Goorbergh zegt

      Haha, leuk bedacht Nico!
      Waar kan ik een retourtje boeken? Door de snelheid verouder je toch ook minder snel?
      Zouden op de planeten daar leuke mensen wonen? Dan blijf ik daar maar denk.
      Wel mooi om zo te speculeren over toekomstige mogelijkheden. Maar helaas is de mens, in deze hoedanigheid, gebonden aan deze aardkloot.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: