Lichte zeilen ruimtevaartuigen en hoe ze werken

Lichte zeilen zijn een steunpilaar (excuseer de nautische woordspeling) van science fiction.

Het klassieke korte verhaal van Arthur C Clarke Zonnejammer beschrijft een ruimtezeilrace, De splinter in Gods oog door Larry Niven en Jerry Pournelle laat een buitenaardse sonde, aangedreven door een laserzeil, de menselijke ruimte binnenkomen, en ze zijn te zien in de StarTrek universum ook.

Het principe is eenvoudig genoeg.

Een heel groot, heel dun en heel licht vel glanzend materiaal reflecteert fotonen van zonlicht.

Door het behoud van momentum zorgt dit ervoor dat het een kracht ervaart die hem in de tegenovergestelde richting duwt.

Als alternatief, als je het zonnestelsel wilt verlaten, weg van de zon, kun je een basisstation bouwen met een paar enorm krachtige lasers om een ​​licht zeil aan te drijven.

Op deze manier wordt een licht zeil niet door de wind geblazen, maar vaart het op stralingsdruk.

Het effect is klein, maar het verbruikt geen raketbrandstof en kan maanden of jaren continu worden benut om zachtjes tot aanzienlijke snelheden te accelereren.

Licht vaart een realiteit

Het idee van lichte zeilen die spaxecraft voortstuwen is niet louter speculatief.

Het eerste ruimtevaartuig dat zonnezeiltechnologie demonstreerde, was het Japanse experimentele ruimtevaartuig IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun), dat in 2010 naar Venus reisde.

Laseraangedreven lichtzeilen zijn een bijzonder aantrekkelijk vooruitzicht voor het sturen van sondes om de buitenste delen van het zonnestelsel te verkennen.

Vergeleken met de traditionele voortstuwing van raketmotoren kunnen ze een veel lagere totale massa en dus lagere kosten hebben, omdat ze niet veel brandstof aan boord hoeven te hebben.

En ze bieden veel snellere vliegtijden omdat, hoewel de acceleratie langzamer is dan traditionele brandstof, deze veel hogere eindsnelheden kan bereiken.

Lichte zeilen en het zonnestelsel

Manasvi Lingam, van het Florida Institute of Technology, en zijn twee collega’s
onderzocht samen met het Initiative for Interstellar Studies in Londen (gehuisvest in het gebouw van de British Interplanetary Society) de praktische aspecten van sondes met lichte zeilen om de ijzige manen van de gasreuzen te verkennen.

Uitgaande van een sondemassa van 100 kg (220 lb) en een licht zeil van ongeveer 100 meter (328 ft) in doorsnee, berekende het team van Lingam dat een dergelijk ruimtevaartuig zou kunnen worden versneld tot meer dan 100.000 km/u (62.137 mph).

Dat zou hen in staat stellen Europa van Jupiter in slechts één tot vier jaar te bereiken, en Enceladus van Saturnus op een tijdschaal van drie tot zes jaar.

Ter vergelijking: de Cassini-Huygens-missie duurde meer dan zes jaar om naar Saturnus te vliegen, en vereiste zwaartekrachtassistentie van twee fly-by’s van Venus, een van de aarde en een andere van Jupiter.

Maar hier is het addertje onder het gras

Het plan zou de constructie vereisen van een krachtige laserarray op aarde in de orde van een gigawatt: grofweg de output van een kerncentrale.

En er is nog een bijzondere uitdaging: waar zo’n grote grondinstallatie gebouwd zou moeten worden.

Voor het voortstuwen van een licht zeil naar Enceladus, omdat de baan van Saturnus rond de zon 2,5° afwijkt van het baanvlak van de aarde, zou de beste locatie voor het laserstation, zodat het continu op het lichte zeil kan richten, op hoge breedtegraad zijn – ofwel de verste noorden of het uiterste zuiden.

Om bijvoorbeeld tussen 2043 en 2052 een lichtzeilsonde naar Saturnus en Enceladus te lanceren, zou de laserarray op Antarctica moeten worden gebouwd.

Dus hoewel een laseraangedreven lichtzeil in sommige opzichten praktisch kan zijn, zijn er enkele duidelijke problemen die met een dergelijk systeem moeten worden opgelost.

Lewis Dartnell was aan het lezen Een voorloper van een Light Sail Astrobiology-missie naar Enceladus en Europa door Manasvi Lingam, Adam Hibberd en Andreas M Hein. Lees het online op: arxiv.org/abs/2402.18691.

Dit artikel verscheen in het juninummer van BBC Sky at Night Magazine van juni 2024.