Het lijkt mogelijk om in een recordtijd van 26 dagen naar Mars te reizen met een ruimtescheepje met zonnezeil. Dat hebben astrofysici berekend. Ze laten daarmee zien dat door de ruimte zeilen naast brandstof ook tijd kan besparen.
Een enkele reis naar Mars duurt met de huidige ruimtesondes ongeveer zeven tot negen maanden. Dat kan mogelijk veel sneller als je de raketmotor vervangt door een zonnezeil. Voortgestuwd door zonlicht heb je bovendien niet het probleem dat de stuwstoffen opraken. Drie Duitse astrofysici hebben berekend dat zonnezeilen, gemaakt van het superlichte materiaal aerografiet, een vracht tot een kilogram snel door het zonnestelsels kunnen transporteren.
Zonlicht
Een ruimteschip met een zonnezeil, of lichtzeil, vaart door de ruimte als een zeilboot over het water. Maar in plaats van de wind, die moleculen uit de lucht tegen de zeilen laat duwen, ‘blaast’ het zonlicht (of ander licht) het vaartuig vooruit. Zonlicht bestaat uit lichtdeeltjes. Door te reflecteren op het lichtzeil of erdoor geabsorbeerd te worden, oefenen die druk uit waardoor het ruimtevaartuig een zetje krijgt.
Gaan we buitenaards leven ontdekken op ijsmanen?
De ruimtevaartorganisaties NASA en ESA spenderen momenteel miljarden aan missies naar de ijsmanen rond de planeten Jupiter en Saturnus.
Het idee om zonnezeilen te gebruiken voor ruimtemissies is niet nieuw. Er zijn een aantal proefmissies geweest met zonnezeilen. NanoSail-D liet in 2008 zien dat het mogelijk was op een zonnezeil uit te vouwen in de ruimte. En de Japanse IKAROS en de Amerikaanse LightSail toonden een paar jaar later dat het mogelijk is om te manoeuvreren met een lichtzeil.
‘Van die missies hebben we geleerd dat aandrijving door zonnezeilen niet alleen in theorie mogelijk is, maar ook voor reële toepassingen’, mailt astrofysicus Julius Karlapp van de TU Dresden. ‘We hopen nu een stap verder te gaan.’
Aerografiet zeilen
De stralingsdruk van zonlicht is nogal klein. Je hebt daarom een groot en licht zeil nodig dat bovendien dun en flexibel genoeg is om als klein pakketje opgevouwen mee te gaan tijdens de lancering. Verder zijn de zeilen bij voorkeur zwart, zodat ze zo veel mogelijk licht kunnen absorberen.
Karlapp en zijn collega’s denken een geschikt materiaal gevonden te hebben voor de zeilen: aerografiet. Dit bestaat uit microscopisch kleine grafietbuisjes die samen een netwerkstructuur vormen. ‘Hierdoor is aerografiet poreus maar ook elastisch’, vertelt Karlapp. En het belangrijkste: aerografiet is een van de lichtste materialen. Het heeft een dichtheid van slechts 0,18 kilogram per kubieke meter. Het is bovendien sterk en veerkrachtig.
Interstellaire Amazon
De onderzoekers berekenden hoe snel een ruimtescheepje met een vierkant zeil van 100 bij 100 meter en 720 gram kan reizen met een vracht van 280 gram. Het lijkt mogelijk om dit ruimtevaartuig, van één kilogram in totaal, in 26 dagen naar Mars te brengen. De grens van het zonnestelsel, de heliopauze, kan binnen 4,2 jaar bereikt worden.
We zullen voorlopig geen astronauten gaan vervoeren met zonnezeilschepen. De huidige lichtzeiltechnologie ook kan namelijk hooguit een paar kilo vervoeren. De onderzoekers denken daarom aan andere toepassingen, zoals wetenschappelijk onderzoek. De ruimtescheepjes kunnen met meetapparatuur aan boord bijvoorbeeld relatief snel naar de verre planetoïden reizen.
Daarnaast hebben Karlapp en zijn collega’s het idee om een soort interplanetaire Amazon te ontwikkelen met zonnezeilend vrachtvervoer. Dat kan nuttig zijn als de plannen doorgaan om mensen voor langere tijd naar Mars te sturen. ‘Door de beperkte productiemogelijkheden op Mars zullen astronauten, vooral in het begin, afhankelijk zijn van ondersteuning en voorraden van de aarde’, zegt Karlapp. ‘Tijdkritische goederen zoals medicijnen, landbouwspullen of elektronica moeten dan snel worden overgebracht.’
Remmen
Met name voor het leveren van goederen is er nog wel een uitdaging: hoe rem je een zeilend ruimteschip af? Een manier om dat te doen is een bestaande techniek genaamd aerocapture. Daarbij gebruik je de weerstand van de atmosfeer van een planeet of maan om een ruimtevaartuig af te remmen. Er moet nog onderzocht worden of aerografiet een geschikt materiaal is voor deze techniek.
Het afremmen is slechts een van de onderdelen die nog verder onderzocht moet worden. Karlapp: ‘De simulaties en pre-tests zijn tot nu toe veelbelovend. Maar we staan aan het begin van het ontwerpen van een heel nieuw ruimtevaartuig dat zijn weerga niet kent.’
