Conventionele raketten zitten vast in een paradox. Om te bewegen heb je brandstof nodig. Brandstof heeft gewicht. Gewicht heeft meer brandstof nodig om te kunnen tillen. Het is een cyclus die ons beperkt tot het binnenste zonnestelsel en waardoor interstellaire reizen op sciencefiction lijken.
Maar wat als u uw eigen momentum niet hoefde te dragen?
Een nieuwe recensie gepubliceerd in Acta Astronautica kijkt naar stuwstofloze ruimtevaarttechnologieën die deze beperking negeren. In plaats van chemicaliën te verbranden, stelen deze ruimtevaartuigen momentum uit hun omgeving. Planeten. Zonlicht. Geladen deeltjes. Zij dragen het vuur niet. Ze surfen gewoon.
Hier ziet u hoe we de aarde achter ons kunnen laten zonder tanks met hydrazine de leegte in te sjouwen.
Gravity Assists: handelstiming voor brandstof
We weten al hoe we de raketvergelijking moeten bedriegen. Het wordt zwaartekrachtondersteuning genoemd.
Ingenieurs sturen een sonde onder een precieze hoek langs een planeet. Het ruimtevaartuig duikt in de zwaartekrachtput van de planeet en zwaait er omheen. Het belemmert een klein beetje van de omloopsnelheid van de planeet. De planeet verliest verwaarloosbare energie. De sonde krijgt een enorme boost.
Voyager 1 en 2 deden dit. Ze raakten Jupiter. Dan Saturnus. Uranus. Neptunus. Geen brandstof verbrand voor die grote snelheidswinsten. Alleen natuurkunde en timing.
Het probleem? De planeten staan niet op één lijn voor jou.
Gravity assists zijn een eenmalige deal. Je hebt een specifiek venster nodig. Mis de lanceringsdatum en je mist de boost. Je kunt een door de zwaartekracht ondersteund vaartuig niet zomaar richten waar je maar wilt. De routes zijn strak. Zeldzaam. Beperkend.
Zonnezeilen: voortgeduwd door fotonen
Als de zwaartekracht te kieskeurig is, probeer dan zonlicht.
De voortstuwing van ruimtevaartuigen zonder drijfgas met behulp van zonnezeilen is van theorie naar realiteit gegaan. De Japanse IKAROS-missie in 2010 bewees dit. De sonde maakte gebruik van een enorm membraan. Zonlicht raakte het. Fotonen gereflecteerd. De reflectie zorgde voor druk. Duw.
Het is niet veel druk. Het is continu. Geen brandstofverbruik. IKAROS bereikte Venus.
Zonnezeilen hebben echter gebreken. Het materiaal is enorm en dun. Denk aan ragfijn. Eén micrometeoroïde-inslag kan een gat in uw motor scheuren. En er is nog een probleem: afstand. Zonlicht vervaagt met het kwadraat van de afstand tot de bron. Ga ver genoeg weg en je zeil wordt in een mum van tijd een vlieger. De stuwkracht verdwijnt.
Magnetische zeilen: het afbuigen van de zonnewind
Fotonen zijn zwak. Hoe zit het met deeltjes?
De zon blaast een stroom geladen plasma uit, de zonnewind. Magnetische zeilen zijn van plan dat op te vangen. In plaats van een fysieke spiegel gebruiken ze een supergeleidende lus om een magnetische bel te creëren. De geladen deeltjes in de wind raken de bel. Ze buigen af. Behoud van momentum geeft het zeil een duw.
Dit klinkt beter dan zonnezeilen. Het is niet afhankelijk van reflectie. Het zal niet op dezelfde manier verslechteren door UV-schade of stofinslagen. Theoretisch gezien werkt het verder van de zon.
Dus waarom hebben we er geen gebouwd?
De maat. De supergeleidende lus zou een straal van maximaal 50 kilometer nodig hebben. Vijftig kilometer. Van supergeleidende draad. Dat moet bevroren blijven bij cryogene temperaturen in de ruimte. Dat kunnen wij niet vervaardigen. We kunnen het niet inzetten. We kunnen het niet afkoelen.
Elektrische zeilen: de goedkopere magnetische optie
Magnetische velden zijn zwaar en duur. Lading is lichter.
Een elektrisch zeil (E-sail) maakt gebruik van lange, geladen draden. Meestal tientallen kilometers aan touwen. De draden stoten de protonen in de zonnewind af. Het is als een statisch elektriciteitsmodel van een magnetisch zeil.
Het voordeel is massa. Je hebt geen zware supergeleidende lussen nodig. Je hebt alleen lichtgeleidende draad nodig.
De keerzijde is macht en kwetsbaarheid. Je hebt voldoende spanning nodig om het elektrische veld over die tientallen kilometers in stand te houden. De draden zijn kwetsbaar. Een botsing met ruimtepuin breekt ze. Als het circuit kapot gaat, stop je met bewegen.
Elke technologie ruilt technische complexiteit in voor toegang tot vrije energie in de leegte.
Welke voortstuwingsmethode is de juiste voor u?
Er is hier geen winnaar. Nog.
De keuze hangt af van de missie. Heb je een snelle vlucht naar Mars nodig met behulp van bestaande technologie? Gebruik chemische raketten met zwaartekrachtondersteuning. Wilt u een goedkope, gestage reis naar een asteroïdengordelobject? Misschien een zonnezeil, als je de spiegel kunt bouwen.
Verder kijken? Het buitenste zonnestelsel is donker en koud. Zonne-zeilen blijven hangen. Je hebt de zonnewind nodig. Maar magnetische zeilen vereisen technologie die we niet hebben uitgevonden. Elektrische zeilen zijn plausibel, maar niet op grote schaal getest.
Stuwstofloze ruimtevluchtconcepten dagen de veronderstelling uit dat je moet branden om te kunnen vliegen. Ze dwingen ingenieurs om constructies als voortstuwingssystemen te beschouwen. Enorm. Breekbaar. Elegant.
De review suggereert dat we deze niet als alternatieven beschouwen, maar als een toolkit. Gebruik de zwaartekracht voor het zware werk. Zeilen voor de kustvaart.
De sterren zijn nog ver weg. Maar misschien hebben we niet meer brandstof nodig om daar te komen. We hebben alleen grotere webben nodig om het licht te vangen.
Of de wind.
Wie weet? We zijn nog steeds op de grond.
