Ruimteschip, Mars

Laser kan ons in recordtijd naar Mars brengen

Canadese wetenschappers zijn op een ongelooflijke missie. Ze willen ruimtevaartuigen in 45 dagen naar Mars sturen met behulp van krachtige laserstralen vanaf de aarde. Dit kan ons helpen om heel nieuwe hoeken van het heelal te verkennen.

Canadese wetenschappers zijn op een ongelooflijke missie. Ze willen ruimtevaartuigen in 45 dagen naar Mars sturen met behulp van krachtige laserstralen vanaf de aarde. Dit kan ons helpen om heel nieuwe hoeken van het heelal te verkennen.

Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

Een salvo van krachtige laserstralen schiet de lucht in.

In de atmosfeer voegen ze zich samen tot één krachtige straal en zetten ze koers naar een bemand ruimteschip dat op 13.000 kilometer boven de aarde zweeft.

De laserstralen ketsen af op een grote spiegel, die ze naar een warmtekamer in de raketmotoren stuurt. Hier verhitten ze het uitlaatgas tot 40.000 °C, en dat levert een versnelling op van wel 50.000 km/h.

Deed een ruimteschip er vroeger 200 dagen over om naar Mars te komen, nu kunnen astronauten de reis in 45 dagen maken dankzij de laserstuwkracht.

Tenminste, als je het ingenieurs van de Canadese McGill University vraagt. Zij denken dat toekomstige Marsreizen geen traditionele brandstof zullen gebruiken.

Als deze droom van ruimtevaart met laseraandrijving ooit werkelijkheid wordt, krijgen we een geheel nieuwe manier om sommige van de verste uithoeken van het zonnestelsel te verkennen.

Technologie 50 jaar in de maak

Het idee om een ruimteschip van energie te voorzien met lasers is niet nieuw – het is zelfs al een halve eeuw oud.

In 1972 beschreef de natuurkundige en ingenieur Arthur Kantrowitz uit de VS hoe het mogelijk moet zijn om een satelliet te lanceren met behulp van laserstralen.

Dat idee was in die tijd echter niet te verwezenlijken. De lasers waren te zwak en de technologie om een grote bundel laserstralen te richten en zo een ver doel te raken, bestond nog niet.

Arthur Kantrowitz’ wetenschappelijke werk werd echter niet vergeten en bleef generaties wetenschappers inspireren, waaronder dus de Canadese ingenieurs van McGill University.

Laserthermische raket

Wetenschappers voorspellen dat ruimtevaartuigen naar Mars straks worden voortgestuwd door laserstralen die in de raketmotoren worden gericht via een grote buitenspiegel.

© Emmanuel Duplay

De lasertechnologie kan sondes ver weg sturen en nieuwe ruimtetelescopen een heel eind van onze planeet brengen om nog verder het heelal in te kijken.

Maar voorlopig richten de Canadese ingenieurs zich op de ontwikkeling van de nieuwe lasertechnologie om de reistijd naar Mars een stuk korter te maken.

Met een kortere en snellere reis naar Mars hoeven de astronauten zich niet zo lang te vervelen, en het zal ook nog eens beter zijn voor hun gezondheid.

In de gewichtloze toestand onderweg naar de Rode Planeet verzwakken botten en spieren, en een lang verblijf ver van het aardmagnetisch veld, dat ons beschermt tegen de schadelijke kosmische straling, verhoogt de kans op kanker.

Hoe korter de tijd die astronauten in de ruimte doorbrengen, hoe kleiner dus de kans dat ze ziek worden door straling.

Een Marsraket kan snelheden van meer dan 50.000 km/h bereiken als de brandstof niet wordt verstookt maar met laserstralen wordt verhit. Zo zou de reis naar Mars in 45 dagen te doen moeten zijn.

Laserthermische raket
©

1. Lasers vanaf de aarde raken het ruimteschip

Een 100 m2 groot computergestuurd lasersysteem zendt een uur lang een laserbundel uit. Het doelwit is het ruimtevaartuig, dat zich al in een baan rond de aarde bevindt op een hoogte van circa 13.000 kilometer.

Laserthermische raket
©

2. Grote spiegel bundelt de stralen

De laserstralen treffen een uitklapbare schotelreflector van 10 meter doorsnee. Deze leidt het laserlicht naar een warmtekamer, die voortdurend volgepompt wordt met grote hoeveelheden waterstofgas.

Laserthermische raket
©

3. Heet gas wordt naar achteren gestuurd

De lasers verhitten het waterstofgas tot 40.000 °C. De hitte zorgt ervoor dat het gas uitzet, tot het hard door een straalpijp achteruit naar buiten schiet – en daardoor kan het ruimtevaartuig versnellen met wel 50.000 km/h.

De wetenschappers zullen laserlicht echter niet gebruiken om satellieten te lanceren – ze willen ruimtevaartuigen die door traditionele raketten in een baan om de aarde gebracht zijn, een zetje geven.

Het plan is om een sterke laserstraal rechtstreeks op een spiegel of reflector aan het Marsvaartuig te richten.

De spiegel leidt het laserlicht dan naar een kamer, die gevoed wordt met een constante stroom waterstofgas.

Als het gas opwarmt, zet het uit en schiet het hard uit een straalpijp. Zo krijgt het ruimteschip meer snelheid.

De laserstraal hoeft het ruimteschip maar een uur te raken om de snelheid tot wel 50.000 km/h te verhogen.

Volgens de wetenschappers is deze methode, laserthermische voortstuwing geheten, de toekomst van de ruimtevaart.

Yuri Milner Stephen Hawking

In 2016 kondigden miljardair Yuri Milner en astrofysicus Stephen Hawking een plan aan om kleine sondes naar de ster Alpha Centauri te sturen met behulp van een laserzeil.

© Jemal Countess/Getty Images

De natuurkunde achter de aandrijving van raketten wordt bepaald door de derde wet van Isaac Newton, die deze bijna 350 jaar geleden formuleerde.

De wet stelt dat er voor elke actie een gelijke en tegengestelde reactie is.

Wanneer de motoren van een raket uitlaatgassen naar achteren schieten via een straalpijp, beweegt de raket met een gelijke kracht in de tegenovergestelde richting van de gassen: naar voren.

De versnelling van de raket hangt er vooral vanaf hoe hoog de temperatuur van de uitlaatgassen in de verbrandingskamer van de motoren is.

Hoe hoger die temperatuur van de gassen, hoe harder ze achteruit schieten en hoe meer het vaartuig versnelt.

Zon en planeten
©

Laserraket steekt een stukje af

Om de 26 maanden staan de aarde en Mars in een zodanige positie ten opzichte van elkaar dat voor de baan gekozen kan worden die de minste brandstof vergt.

Deze zogeheten Hohmannbaan benut de snelheid die de twee planeten vanzelf al hebben door de baan die ze maken om een ruimtevaartuig weg te slingeren.

Als een vaartuig een Hohmannbaan volgt, hoeft het zijn motoren maar één keer te starten bij het begin van zijn reis en nog een keer om af te remmen en in de baan van Mars te kunnen belanden.

Op die manier is de reistijd naar Mars circa zeven maanden lang (stippellijn).

Een vaartuig met een laserthermische motor (blauwe lijn) kan bij lancering een veel hogere snelheid bereiken en bij aankomst veel harder afremmen.

Dit betekent dat de reis naar Mars in slechts 45 dagen te doen is.

In gewone raketmotoren komt de verbrandingstemperatuur gewoonlijk uit op circa 3200 °C.

Doordat de gebundelde laserstralen de uitlaatgassen van de raket veel efficiënter verhitten, is de verbrandingstemperatuur in de laserthermische motoren volgens de onderzoekers wel 40.000 °C.

Daardoor kan de reistijd flink verkort worden, en bij dezelfde reistijd als eerst kan het laservaartuig wel 10 keer zo veel lading per kilo brandstof vervoeren.

Lasersystemen leveren energie

Met deze veelbelovende nieuwe lasertechnologie kunnen vele kleine lasers als één grote werken, waarmee het visioen van snelle Marsreizen zomaar werkelijkheid zou kunnen worden.

Aan de University of California in de VS en aan de National University van Australië werken natuurkundigen nu aan lasersystemen die bestaan uit enorme bundels van goedkope en precieze lasers waarbij infrarood laserlicht gevormd en versterkt wordt in optische vezels.

De natuurkundigen hopen dat straks duizenden of miljoenen lasers als één enorme laser gaan werken – elektronisch aangestuurd, zodat de laserstraal steeds op het ruimtevaartuig gericht is.

De wetenschappers maken gestage vorderingen en technologisch gezien zou er geen beletsel moeten zijn om dit doel binnen afzienbare tijd te bereiken.

Een lasersysteem van 10 x 10 meter – ongeveer de grootte van een half tennisveld – zou voldoende moeten zijn om de energie te leveren die nodig is om mensen snel naar Mars te brengen.

Laserstralen kunnen ruimtevaart op z’n kop zetten

In plaats van brandstof te verstoken, zoals een traditionele raketmotor doet, kunnen toekomstige ruimtevaartuigen aangedreven worden door lasers die vanaf de aarde worden afgevuurd. Dit kan op drie manieren.

Laserthermische raket
©

1: Laserlicht verhit waterstofgas

Via een spiegel wordt een sterke laserstraal in een raketmotor gericht, waar waterstofgas tot duizenden graden verhit wordt. Het hete gas zet snel uit en schiet door een straalpijp naar buiten, waardoor de raket versnelt.

Ruimteschip
©

2: Zonnepaneel drijft elektrische raketmotor aan

Een zogeheten ionenmotor werkt op stroom van een zonnepaneel dat beschoten wordt met laserlicht. In de motor bereiken elektrisch geladen deeltjes meer dan 100.000 km/h. De deeltjes schieten achteruit en de raket vooruit.

Heelal
©

3: Licht duwt tegen een zonnezeil

Zoals een windvlaag een schip versnelt, zo stuwt de stralingsdruk van laserlicht een ruimteschip met een groot zonnezeil voort. De druk is bescheiden, maar gedurende vele jaren kan een heel licht ruimteschip extreem hoge snelheden bereiken.

De ingenieurs hebben alleen gerekend op de heenreis, en de thuisreis vanaf Mars zal waarschijnlijk op de ouderwetse en wat langzamere manier met chemische raketmotoren moeten gebeuren.

Althans, tot er een behoorlijke Marsbasis met voldoende energievoorziening is en er ook een laserinstallatie op Mars gebouwd kan worden. Dan kan de energie van de lasers gebruikt worden om zowel inkomende vaartuigen af te remmen als uitgaande te versnellen.

Lasersystemen kunnen ruimteveren met een vaste snelheid heen en weer schieten tussen de aarde en Mars, maar de twee planeten moeten dan wel dicht bij elkaar staan in hun respectievelijke banen rond de zon.

De VS en China hebben al plannen om in de loop van de jaren 2030 mensen naar Mars te sturen, maar lasers komen daar nog niet aan te pas.

60 minuten – zo kort doen laserstralen op aarde erover om een ruimteschip tot 50.000 km/h te versnellen.

Aanvankelijk zal de lange reis worden gemaakt door professionele astronauten, die vertrekken in gewone, goed geteste raketten. Pas wanneer Mars permanent is bewoond, is efficiënter vervoer nodig.

Elon Musk, hoofd van het ruimtevaartbedrijf SpaceX, heeft ambitieuze plannen: hij wil in 2050 een stad van een miljoen mensen op Mars gevestigd hebben.

Met dit in het achterhoofd vermoedt Andrew Higgins van het onderzoeksteam van de McGill University dat thermisch transport van mensen met behulp van laser in 2040 realiteit kan zijn.

Supertelescoop fotografeert exoplaneten

De nieuwe raketmotor zou ook gebruikt kunnen worden voor wetenschappelijke sondes die de verre uithoeken van het zonnestelsel moeten verkennen.

De twee verste planeten, Uranus en Neptunus, zijn niet meer bezocht sinds de jaren 1980, toen de Amerikaanse sonde Voyager 2 erlangs vloog.

Indertijd deden ze er 12 jaar over om van de aarde naar Neptunus te komen: een afstand van 4,5 miljard kilometer. Een sonde die door een laserthermische motor wordt afgevuurd, kan de reis in minder dan vijf jaar maken.

NASA’s Voyager 1 kwam tot dusver het verst, en deed 45 jaar over een afstand van 23 miljard kilometer. Maar een sonde met laseraandrijving die een ruimtetelescoop vervoert zou in enkele tientallen jaren een veel langere reis kunnen maken.

Aanvankelijk zullen de laserraketten echter op Mars gericht zijn.

En als de technologie werkelijkheid wordt, zullen waarschijnlijk veel meer mensen bereid zijn de 45-daagse reis naar onze dichtstbijzijnde planeet te maken, waarmee een nieuw interplanetair tijdperk voor de mens wordt ingeluid.