(Dit bericht werd oorspronkelijk gepubliceerd op de In het diepe blog op Vkblog op 30 januari 2010)
Als eerste vraag in mijn "Stel je vraag over astronomie of ruimtevaart"-actie een vraag van Cat. Cat vraagt of de mens ooit sneller dan het licht zal reizen. En hoe gaan we ook maar in de buurt van die snelheid komen, wil ik er maar aan toevoegen.
Laat ik eerst kijken hoever we nu zijn, want het versturen van een object met de lichtsnelheid ligt nog langer niet binnen ons bereik. De lichtsnelheid is 299.792 kilometer per seconde. Op dit moment is het snelste object dat wij mensen gemaakt hebben de Helios-2 satelliet geweest: 241.350 kilometer per uur. Dus we zijn nog niet eens tot op 1/4400ste van de lichtsnelheid genaderd. En Helios-2 was geholpen door de zwaartekracht van de Zon.
Als je kijkt naar het snelst gelanceerde object, dan is dat nog minder: 65.983 kilometer per uur. De satelliet New Horizons die nu op weg is naar Pluto, doet daar ongeveer 9 1/2 jaar over. Licht is er al na 5 1/2 uur. En de snelste mensen waren de bemanning van Apollo 10 met 39.846 kilometer per uur.
Het snelst gelanceerde object: de New Horizons gaat op weg naar Pluto op een Atlas 5 raket.
Kortom, het duurt nog wel even voor wij naar andere sterren reizen (zeker met het huidige budget van NASA en ESA en de andere ruimtevaartorganisaties. De maan is al buiten ons bereik, laat staan andere sterren).
Hoe moeten we ooit ook maar in de buurt van de lichtsnelheid komen? Wel, laten we onze doelen voorlopig even bijstellen. Want om op de "klassieke wijze" de lichtsnelheid te halen moet je ongeveer massaloos zijn. Massaloos? Ja, hoe zat dat ook al weer? Einstein was er begin vorige eeuw achter gekomen dat energie en massa equivalent zijn. Dat beschreef hij in de formule E=mc². Als je wel massa hebt en je beweegt met een snelheid die de lichtsnelheid benaderd en je voegt meer energie toe, dan word je niet sneller maar je wordt zwaarder. Die energie wordt geconverteerd in massa. De Large Hadron Collider maakt trouwens gebruik van dat effect: ze schieten protonen rond met een snelheid nabij die van het licht en als er dan meer energie wordt toegevoegd, worden de protonen groter, waardoor de kans dat ze botsen groter is.
Maar waarom is de lichtsnelheid c een constante? Ik heb op allerlei sites op Internet gezocht en ik kan het niet helder uitleggen zonder me te moeten storten op allerlei formules. Ik haak daar toch een beetje af als IT-er. Goh, natuurkunde blijkt toch moeilijker te zijn dan ik dacht. Sorry voor de diverse P.I.T.'s (Pretentieuze Internet Theoristen) die dit lezen, maar ik maak hier er mee van af dat deze theorie op diverse facetten uitgebreid getest is. Als je het een wetenschapper vraagt dan zal deze zeggen, dat het niet volledig onmogelijk is dat we nog een manier vinden om de theorie/wet te ontduiken, maar dat het heel erg lastig zal worden.
En er is nog een probleem wat mensen zich vaak niet realiseren: stel je bereikt de lichtsnelheid of sneller en je reist naar een ster, dan moet je nog afremmen of je schiet er met de snelheid van het licht langs. Ik neem aan dat we ook een reisdoel hebben. Dat afremmen kost ook nog eens enorm veel energie.
Maar misschien hoeven we Einstein's theorie wel helemaal niet te ontduiken. De lichtsnelheid als limiet geldt namelijk in een ruimte-tijd continuum, ofwel drie dimensies plus tijd. Een slimmerik heeft bedacht dat een object weliswaar niet sneller dan het licht kan reizen in een ruimte. Waarom verplaatsen we ruimte-tijd zelf niet? Hoe doe je dat? Door de ruimte voor je ruimteschip te laten expanderen en achter je te laten inkrimpen. Ach natuurlijk, en als ik de ruimte voor me expandeer kan ik ook makkelijker tussen de files door. Nee serieus, men denkt dat het zou kunnen door donkere materie te manipuleren. Dat wil zeggen: als theorieën zoals snarentheorie ook blijken te kloppen. Veel daarvan is niet getest. Als het klopt kun je dus sneller dan een lichtdeeltje aan kunnen komen. Helaas rekende een wetenschapper vorig jaar dat zo'n ruimte-tijd-bel die we willen verplaatsen zeer instabiel is. Dus zelfs theoretisch werkt het nog niet.
Al die Aard-achtige planeten die we binnenkort gaan vinden. Gaan we er ooit komen? Afgezien van de theorie hierboven: had ik al gezegd dat we er nog lang niet zijn qua lichtsnelheid? We verkrijgen nu nog altijd snelheid door chemische reacties en niet te vergeten door handig gebruik van zwaartekracht. Zo brengt de shuttlemotor ons bij Alpha Centauri 120.000 jaar. Een wel heel langetermijnplanning. Wat gaan we eigenlijk doen om hogere snelheden te bereiken? Wel, er zijn zaken in ontwikkeling die ons iets sneller zullen maken en theoretische oplossingen die ons veel sneller zullen maken. Een kleine portfolio:
De plasma-aandrijving
De plasma-aandrijving is misschien niet zo krachtig als een chemische raket, maar hij kan de voorstuwing jaren volhouden. Interessant voor reizen in ons zonnestelsel. Oud-NASA-astronaut Dr. Franklin Chang-Diaz is een bedrijfje begonnen, genaamd Ad Astra, waar hij werkt aan plasma motoren die meer kracht hebben dan ionenmotoren en die jaren voorstuwing kunnen leveren. In 2012 hoopt Chang-Diaz een prototype genaamd VASIMR op ruimtestation ISS te laten bevestigen. Een verbetering, zeker, maar niet genoeg om ons naar de sterren te helpen.
Een volgende generatie van de VASIMR motor stuwt een ruimteschip voort.
Nucleaire aandrijving
E=mc². Waarom binden we er niet een kernbom achter op onze raket? Dat moet men bij het bedenken van de atoomraket gedacht hebben. Okee, eigenlijk moet je bij de meeste ontwerpen meer denken aan een kernreactor als raket. En vergis je niet, er is al onderzoek naar gedaan. In de jaren 60 liet NASA er onderzoek naar doen. Want ja, na de Maan kwam Mars, toch? Men had al een jaar geprikt: 9 augustus 1982. Maar terwijl astronauten op de maan wandelden werd eind jaren zestig een streep gezet door veel ruimtevaartdromen. Had iets een oorlog in Vietnam en budgetten te maken (deja vu?). Dus ook het NERVA project dat deze voortstuwing moest onderzoeken. Toegegeven, men was qua thermodynamische kernraketten niet op een optimale oplossing uitgekomen.
Nieuwe theoretische raketten op basis van kernsplijting zouden tot op 10 procent van de lichtsnelheid moeten kunnen komen. Alpha Centauri bereik je dan in 46 jaar. Om het gewicht laag te houden heb je een brandstof met een lage halfwaardetijd nodig, zoals Americum. Dat komt niet in de natuur voor en als je de naar schatting 2 miljoen ton opslaat moet je serieus over bescherming van de bemanning en electronica tegen radioactieve straling na gaan denken.
Het nucleair aangedreven ruimteschip Pegasus, zoals in de BBC serie Space Odyssey: Voyage to the Planets.
Antimaterie
Reactie van materie met antimaterie levert bijna 100 procent efficiëntie. Jammer dat we antimaterie nog niet in grote volumes hebben weten te maken. Bij CERN hebben ze een miljoen antiwaterstof-atomen weten te maken. Dat is in de orde van 10 tot de macht -15 kilo. Maar als het lukt op antiwaterstof op grote schaal te maken heb je een hele mooie voortstuwing in handen. Met 900.000 ton aan brandstof kom je in 41 jaar aan bij Alpha Centauri. 900.000 ton brandstof is een hoop minder dan de brandstof die de atoomraket mee moet nemen, maar je zult ook systemen mee moeten nemen die voorkomen dat de antimaterie ook maar op enige wijze met materie in aanraking komt tijdens opslag.
NASA's schets van een ruimteschip met antimaterie aandrijving.
Nucleare fusie
Waarom kunnen we niet gewoon doen wat de zon doet? Vraag het de vele onderzoekers die al decennia proberen de heilige graal van kernfusie te vinden: een gecontrolleerde nucleaire kettingreactie. De apparatuur om nu fusie ook maar een splitseconde voor elkaar te krijgen is heel zwaar. Dat is niet echt een voordeel als je ruimtevaart bedrijven wilt. Voordeel: je kunt bijtanken als je waterstof kunt vinden.
Lichtzeilen
"De beste manier om de sterren te bereiken, is door de brandstof thuis te laten". Een waarheid als een koe. Voor de aandrijvingen hierboven hebben we alleen maar tonnen en nog eens tonnen brandstof nodig gehad. In de jaren tachtig kwam een natuurkundige met een ander idee. Een zeer groot en licht zeil zou voortgestuwd kunnen worden door licht. Je zou daarbij kunnen denken aan de Zon, maar zonlicht is niet zo gefocussed en dat brengt je niet zo ver. Je moet daarom eerder gaan denken aan een heel krachtige laser die vanaf de omgeving van de Aarde op een zeil van 1000 kilometer doorsnede gericht wordt. Je moet dan wel zorgen voor 17.000 terrawat aan energie, ofwel 1200 keer wat we nu als planeet aan energie verbruiken. Laten we het nu even niet over CO2-uitstoot hebben. Dat is gewoon veel. Maar als het lukt, dan kun je in 12 en een half jaar bij Alpha Centauri zijn of in 86 jaar bij 55 Cancri, waarvan we nu al weten dat het planeten heeft. Hopelijk vergeet men op Aarde niet halverwege de energierekening te betalen.
Een sterrenzeil op weg.
Hoe staan we ervoor qua lichtzeilen, afgezien van de energierekening? Wel, de Planetary Society doet haar best een zonnezeil te lanceren. Een eerdere lancering mislukte, maar ze geven niet op. Eind 2010 moet de lancering van een nieuw zeil gaan gebeuren. Ben benieuwd wat het gaat opleveren.
Het zonnezeil van de Planetary Society.
De fusie-ramjet
De meest ideale oplossing wordt gezegd. Helaas komen we er technologisch in de verste verten nog niet in de buurt. De fusieramjet maakt een magnetisch veld van duizenden kilometers in doorsnede. Onderweg pikt de ramjet interstellaire waterstof op en brengt dat in de fusiereactor als brandstof. We hebben sowieso twee grote problemen om de fusieramjet tot werkelijkheid te maken: het overwinnen van de weerstand van de interstellaire gassen. Ten tweede: voor fusie is voornamelijk waterstof voor handen en we hebben geen idee hoe je zo'n fusie doet. Sterren kunnen het, wij nog niet. De fusie ramjet brengt je in 25 jaar bij Alpha Centauri.
Een schets van NASA voor een fusieramjet.
Andere methoden om afstanden te overwinnen
Nu begin ik echt in science fiction-sferen te geraken. Denk aan het vouwen van ruimte en wormgaten. Deze methoden moeten afstanden doen overbruggen via een andere dimensie. En hoe maak je zo'n wormgat, zodanig dat je bij je doel komt? Als je denkt aan zwarte gaten, blijf dan nog maar even denken. Alles wijst er tot nu toe op dat je een reis door een zwart gat a) niet overleeft en b) dat het enige waar een zwart gat je kan brengen, is singulariteit. En dat is geen prettig reisdoel.
Zoals je ziet: we are way off. Gaan we ooit sneller dan het licht? Het ziet er voorlopig niet zo naar uit. Gaan we al reizend andere sterren bereiken binnen een mensenleven? Dat is niet uitgesloten. Maar heb nog even geduld.
Bronnen: Aerospaceweb.org, NASA over de lichtsnelheid, Bad Astronomy over sneller dan licht reizen, Bad Astronomy over diverse aandrijvingen en reizen naar de sterren, Ad Astra website, Wikipedia.
Als eerste vraag in mijn "Stel je vraag over astronomie of ruimtevaart"-actie een vraag van Cat. Cat vraagt of de mens ooit sneller dan het licht zal reizen. En hoe gaan we ook maar in de buurt van die snelheid komen, wil ik er maar aan toevoegen.
Laat ik eerst kijken hoever we nu zijn, want het versturen van een object met de lichtsnelheid ligt nog langer niet binnen ons bereik. De lichtsnelheid is 299.792 kilometer per seconde. Op dit moment is het snelste object dat wij mensen gemaakt hebben de Helios-2 satelliet geweest: 241.350 kilometer per uur. Dus we zijn nog niet eens tot op 1/4400ste van de lichtsnelheid genaderd. En Helios-2 was geholpen door de zwaartekracht van de Zon.
Als je kijkt naar het snelst gelanceerde object, dan is dat nog minder: 65.983 kilometer per uur. De satelliet New Horizons die nu op weg is naar Pluto, doet daar ongeveer 9 1/2 jaar over. Licht is er al na 5 1/2 uur. En de snelste mensen waren de bemanning van Apollo 10 met 39.846 kilometer per uur.
Het snelst gelanceerde object: de New Horizons gaat op weg naar Pluto op een Atlas 5 raket.
Kortom, het duurt nog wel even voor wij naar andere sterren reizen (zeker met het huidige budget van NASA en ESA en de andere ruimtevaartorganisaties. De maan is al buiten ons bereik, laat staan andere sterren).
Hoe moeten we ooit ook maar in de buurt van de lichtsnelheid komen? Wel, laten we onze doelen voorlopig even bijstellen. Want om op de "klassieke wijze" de lichtsnelheid te halen moet je ongeveer massaloos zijn. Massaloos? Ja, hoe zat dat ook al weer? Einstein was er begin vorige eeuw achter gekomen dat energie en massa equivalent zijn. Dat beschreef hij in de formule E=mc². Als je wel massa hebt en je beweegt met een snelheid die de lichtsnelheid benaderd en je voegt meer energie toe, dan word je niet sneller maar je wordt zwaarder. Die energie wordt geconverteerd in massa. De Large Hadron Collider maakt trouwens gebruik van dat effect: ze schieten protonen rond met een snelheid nabij die van het licht en als er dan meer energie wordt toegevoegd, worden de protonen groter, waardoor de kans dat ze botsen groter is.
Maar waarom is de lichtsnelheid c een constante? Ik heb op allerlei sites op Internet gezocht en ik kan het niet helder uitleggen zonder me te moeten storten op allerlei formules. Ik haak daar toch een beetje af als IT-er. Goh, natuurkunde blijkt toch moeilijker te zijn dan ik dacht. Sorry voor de diverse P.I.T.'s (Pretentieuze Internet Theoristen) die dit lezen, maar ik maak hier er mee van af dat deze theorie op diverse facetten uitgebreid getest is. Als je het een wetenschapper vraagt dan zal deze zeggen, dat het niet volledig onmogelijk is dat we nog een manier vinden om de theorie/wet te ontduiken, maar dat het heel erg lastig zal worden.
En er is nog een probleem wat mensen zich vaak niet realiseren: stel je bereikt de lichtsnelheid of sneller en je reist naar een ster, dan moet je nog afremmen of je schiet er met de snelheid van het licht langs. Ik neem aan dat we ook een reisdoel hebben. Dat afremmen kost ook nog eens enorm veel energie.
Maar misschien hoeven we Einstein's theorie wel helemaal niet te ontduiken. De lichtsnelheid als limiet geldt namelijk in een ruimte-tijd continuum, ofwel drie dimensies plus tijd. Een slimmerik heeft bedacht dat een object weliswaar niet sneller dan het licht kan reizen in een ruimte. Waarom verplaatsen we ruimte-tijd zelf niet? Hoe doe je dat? Door de ruimte voor je ruimteschip te laten expanderen en achter je te laten inkrimpen. Ach natuurlijk, en als ik de ruimte voor me expandeer kan ik ook makkelijker tussen de files door. Nee serieus, men denkt dat het zou kunnen door donkere materie te manipuleren. Dat wil zeggen: als theorieën zoals snarentheorie ook blijken te kloppen. Veel daarvan is niet getest. Als het klopt kun je dus sneller dan een lichtdeeltje aan kunnen komen. Helaas rekende een wetenschapper vorig jaar dat zo'n ruimte-tijd-bel die we willen verplaatsen zeer instabiel is. Dus zelfs theoretisch werkt het nog niet.
Al die Aard-achtige planeten die we binnenkort gaan vinden. Gaan we er ooit komen? Afgezien van de theorie hierboven: had ik al gezegd dat we er nog lang niet zijn qua lichtsnelheid? We verkrijgen nu nog altijd snelheid door chemische reacties en niet te vergeten door handig gebruik van zwaartekracht. Zo brengt de shuttlemotor ons bij Alpha Centauri 120.000 jaar. Een wel heel langetermijnplanning. Wat gaan we eigenlijk doen om hogere snelheden te bereiken? Wel, er zijn zaken in ontwikkeling die ons iets sneller zullen maken en theoretische oplossingen die ons veel sneller zullen maken. Een kleine portfolio:
De plasma-aandrijving
De plasma-aandrijving is misschien niet zo krachtig als een chemische raket, maar hij kan de voorstuwing jaren volhouden. Interessant voor reizen in ons zonnestelsel. Oud-NASA-astronaut Dr. Franklin Chang-Diaz is een bedrijfje begonnen, genaamd Ad Astra, waar hij werkt aan plasma motoren die meer kracht hebben dan ionenmotoren en die jaren voorstuwing kunnen leveren. In 2012 hoopt Chang-Diaz een prototype genaamd VASIMR op ruimtestation ISS te laten bevestigen. Een verbetering, zeker, maar niet genoeg om ons naar de sterren te helpen.
Een volgende generatie van de VASIMR motor stuwt een ruimteschip voort.
Nucleaire aandrijving
E=mc². Waarom binden we er niet een kernbom achter op onze raket? Dat moet men bij het bedenken van de atoomraket gedacht hebben. Okee, eigenlijk moet je bij de meeste ontwerpen meer denken aan een kernreactor als raket. En vergis je niet, er is al onderzoek naar gedaan. In de jaren 60 liet NASA er onderzoek naar doen. Want ja, na de Maan kwam Mars, toch? Men had al een jaar geprikt: 9 augustus 1982. Maar terwijl astronauten op de maan wandelden werd eind jaren zestig een streep gezet door veel ruimtevaartdromen. Had iets een oorlog in Vietnam en budgetten te maken (deja vu?). Dus ook het NERVA project dat deze voortstuwing moest onderzoeken. Toegegeven, men was qua thermodynamische kernraketten niet op een optimale oplossing uitgekomen.
Nieuwe theoretische raketten op basis van kernsplijting zouden tot op 10 procent van de lichtsnelheid moeten kunnen komen. Alpha Centauri bereik je dan in 46 jaar. Om het gewicht laag te houden heb je een brandstof met een lage halfwaardetijd nodig, zoals Americum. Dat komt niet in de natuur voor en als je de naar schatting 2 miljoen ton opslaat moet je serieus over bescherming van de bemanning en electronica tegen radioactieve straling na gaan denken.
Het nucleair aangedreven ruimteschip Pegasus, zoals in de BBC serie Space Odyssey: Voyage to the Planets.
Antimaterie
Reactie van materie met antimaterie levert bijna 100 procent efficiëntie. Jammer dat we antimaterie nog niet in grote volumes hebben weten te maken. Bij CERN hebben ze een miljoen antiwaterstof-atomen weten te maken. Dat is in de orde van 10 tot de macht -15 kilo. Maar als het lukt op antiwaterstof op grote schaal te maken heb je een hele mooie voortstuwing in handen. Met 900.000 ton aan brandstof kom je in 41 jaar aan bij Alpha Centauri. 900.000 ton brandstof is een hoop minder dan de brandstof die de atoomraket mee moet nemen, maar je zult ook systemen mee moeten nemen die voorkomen dat de antimaterie ook maar op enige wijze met materie in aanraking komt tijdens opslag.
NASA's schets van een ruimteschip met antimaterie aandrijving.
Nucleare fusie
Waarom kunnen we niet gewoon doen wat de zon doet? Vraag het de vele onderzoekers die al decennia proberen de heilige graal van kernfusie te vinden: een gecontrolleerde nucleaire kettingreactie. De apparatuur om nu fusie ook maar een splitseconde voor elkaar te krijgen is heel zwaar. Dat is niet echt een voordeel als je ruimtevaart bedrijven wilt. Voordeel: je kunt bijtanken als je waterstof kunt vinden.
Lichtzeilen
"De beste manier om de sterren te bereiken, is door de brandstof thuis te laten". Een waarheid als een koe. Voor de aandrijvingen hierboven hebben we alleen maar tonnen en nog eens tonnen brandstof nodig gehad. In de jaren tachtig kwam een natuurkundige met een ander idee. Een zeer groot en licht zeil zou voortgestuwd kunnen worden door licht. Je zou daarbij kunnen denken aan de Zon, maar zonlicht is niet zo gefocussed en dat brengt je niet zo ver. Je moet daarom eerder gaan denken aan een heel krachtige laser die vanaf de omgeving van de Aarde op een zeil van 1000 kilometer doorsnede gericht wordt. Je moet dan wel zorgen voor 17.000 terrawat aan energie, ofwel 1200 keer wat we nu als planeet aan energie verbruiken. Laten we het nu even niet over CO2-uitstoot hebben. Dat is gewoon veel. Maar als het lukt, dan kun je in 12 en een half jaar bij Alpha Centauri zijn of in 86 jaar bij 55 Cancri, waarvan we nu al weten dat het planeten heeft. Hopelijk vergeet men op Aarde niet halverwege de energierekening te betalen.
Een sterrenzeil op weg.
Hoe staan we ervoor qua lichtzeilen, afgezien van de energierekening? Wel, de Planetary Society doet haar best een zonnezeil te lanceren. Een eerdere lancering mislukte, maar ze geven niet op. Eind 2010 moet de lancering van een nieuw zeil gaan gebeuren. Ben benieuwd wat het gaat opleveren.
Het zonnezeil van de Planetary Society.
De fusie-ramjet
De meest ideale oplossing wordt gezegd. Helaas komen we er technologisch in de verste verten nog niet in de buurt. De fusieramjet maakt een magnetisch veld van duizenden kilometers in doorsnede. Onderweg pikt de ramjet interstellaire waterstof op en brengt dat in de fusiereactor als brandstof. We hebben sowieso twee grote problemen om de fusieramjet tot werkelijkheid te maken: het overwinnen van de weerstand van de interstellaire gassen. Ten tweede: voor fusie is voornamelijk waterstof voor handen en we hebben geen idee hoe je zo'n fusie doet. Sterren kunnen het, wij nog niet. De fusie ramjet brengt je in 25 jaar bij Alpha Centauri.
Een schets van NASA voor een fusieramjet.
Andere methoden om afstanden te overwinnen
Nu begin ik echt in science fiction-sferen te geraken. Denk aan het vouwen van ruimte en wormgaten. Deze methoden moeten afstanden doen overbruggen via een andere dimensie. En hoe maak je zo'n wormgat, zodanig dat je bij je doel komt? Als je denkt aan zwarte gaten, blijf dan nog maar even denken. Alles wijst er tot nu toe op dat je een reis door een zwart gat a) niet overleeft en b) dat het enige waar een zwart gat je kan brengen, is singulariteit. En dat is geen prettig reisdoel.
Zoals je ziet: we are way off. Gaan we ooit sneller dan het licht? Het ziet er voorlopig niet zo naar uit. Gaan we al reizend andere sterren bereiken binnen een mensenleven? Dat is niet uitgesloten. Maar heb nog even geduld.
Bronnen: Aerospaceweb.org, NASA over de lichtsnelheid, Bad Astronomy over sneller dan licht reizen, Bad Astronomy over diverse aandrijvingen en reizen naar de sterren, Ad Astra website, Wikipedia.
Geen opmerkingen:
Een reactie posten