Reis naar het einde van het zonnestelsel

Een nieuwe sonde kan binnen 50 jaar 150 miljard kilometer afleggen en voor het eerst op onderzoek gaan tussen de sterren. Maar om de sonde genoeg snelheid te kunnen geven, is een enorm grote raket nodig, en een gevaarlijke manoeuvre vlak bij de zon.

Een nieuwe sonde kan binnen 50 jaar 150 miljard kilometer afleggen en voor het eerst op onderzoek gaan tussen de sterren. Maar om de sonde genoeg snelheid te kunnen geven, is een enorm grote raket nodig, en een gevaarlijke manoeuvre vlak bij de zon.

Marvin Joseph/The Washington Post/Getty Images

Als de ruimtesonde Interstellar Probe rond de zon draait en koers zet richting de grenzen van het zonnestelsel heeft hij een snelheid van 300.000 km/h. Dat is sneller dan een door de mens gemaakt voertuig ooit gegaan is – zelfs zo snel dat hij binnen acht dagen Mars zou bereiken.

Maar dat is nog niet alles. De sonde moet een halve eeuw lang gegevens verzamelen en terugsturen naar de aarde. Zijn reisdoel is de ruimte tussen de sterren, waar de zon niet meer is dan een van de vele kleine lichtplekjes in de Melkweg, en waar verder niet veel meer is dan een beetje gas en stof.

Tijdens de 50 jaar durende missie zal de ruimtesonde 1000 keer de afstand tussen de zon en de aarde afleggen, dus 150 miljard kilometer.

Maar voorlopig bestaat de Interstellar Probe alleen nog als concept. Het idee komt van de Amerikaanse astronoom Ralph McNutt, die zich al sinds 1992 bezighoudt met ruimtemissies. Al meer dan 15 jaar is hij een warm pleitbezorger voor een missie buiten het zonnestelsel.

Tot nog toe was de techniek er niet, maar met een toekomstige superraket wordt het mogelijk om een sonde voldoende snelheid te geven. En dus lopen de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en de Europese ESA ook langzaam warm voor het idee. De komende jaren – waarschijnlijk in 2023 – wordt besloten of de reis buiten ons zonnestelsel echt doorgaat.

Kleine sonde krijgt schild en raketmotor.

/ 5

Instrumenten verzamelen stof

De instrumenten van de sonde moeten stof en microscopische deeltjes verzamelen en analyseren, magneetvelden meten en infrarode straling opvangen.

1

Antenne stuurt gegevens naar de aarde

De radioantenne heeft een doorsnede van twee meter. Het signaal doet er 139 uur over om de 150 miljard kilometer naar de aarde af te leggen.

2

Generator draait op plutonium

Een zogenoemde thermo-elektrische radio-isotoopgenerator zet de warmte van vervallen radioactief plutonium om in elektriciteit.

3

Raketmotor geeft extra snelheid

Om zo snel mogelijk te kunnen gaan, wordt vlak bij de zon een krachtige raketmotor aangezet. Hier heeft de raket namelijk het grootste effect.

4

Schild beschermt tegen de zon

Een schild van koolstofvezel en wolfraam zorgt ervoor dat de gevoelige instrumenten de 3000 °C tijdens de manoeuvre rond de zon kunnen overleven.

5
© Claus Lunau

Aarde wordt klein stipje

De interstellaire ruimtesonde is vooral bedoeld om onderzoek te doen naar de extreem dunne soep van stof en straling die in de ruimte tussen de sterren zit.

Het stof in dit interstellaire medium is afkomstig van grote sterren die lang geleden zijn opgebrand en geëxplodeerd als supernova. Toen dit stof 4,6 miljard jaar geleden in een gigantische stof- en gaswolk implodeerde, zijn de zon en alle planeten van het zonnestelsel ontstaan.

De sonde reist binnen 8 dagen naar Mars met een snelheid van 300.000 km/h.

Misschien bevat dit stof organische moleculen – de bouwstenen van complexere moleculen waaruit het leven is ontstaan. Het stof kan wetenschappers meer inzicht geven in het ontstaan van het zonnestelsel.

Op veilige afstand van de zon en planeten kan de ruimtesonde ook terugkijken en zien hoe het zonnestelsel er van buitenaf uitziet. Lijkt ons zonnestelsel op de rest, of is het anders? Hoe zien de planeten er op grote afstand uit? En kunnen we zien dat onze planeet bewoond is, als hij niet meer is dan een piepkleine pixel op een foto?

© Lasse Alexander Lund-Andersen

Slinger rond de zon geeft sonde topsnelheid

De sonde moet een nieuwe en gevaarlijke manoeuvre uitvoeren. Om de maximale snelheid te bereiken, moet hij dicht in de buurt van de zon komen en de zwaartekracht daarvan gebruiken.

1. Sonde maakt lange omweg
De interstellaire sonde wordt eerst in een baan om de aarde gebracht door de SLS-raket. Vervolgens vertrekt hij richting Jupiter.

2. Jupiter remt de sonde af
De sonde slingert om Jupiter heen, tegen de draairichting van de planeet in. Hierdoor wordt hij afgeremd en begint hij richting de zon te vallen.

3. Raketmotor geeft extra zetje
De val geeft de sonde snelheid. Vlak bij de zon wordt de raketmotor even aangezet. En nadat hij de motor en het schild heeft gedumpt, zet de sonde met meer dan 300.000 km/h koers richting de zon.

De antwoorden op deze vragen kunnen astronomen helpen met hun zoektocht naar buitenaards leven. Ze hebben al ongeveer 50 planeten gevonden die om andere sterren dan de zon draaien, en die groot en warm genoeg zijn om leven mogelijk te maken.

Op aarde hebben levende organismen de atmosfeer veranderd en met een ruimtesonde buiten het zonnestelsel kunnen wetenschappers kijken hoe ze deze verandering op grote afstand kunnen observeren. Ze komen er zodoende achter waar ze op moeten letten als ze het licht van andere planeten bekijken om na te gaan of wij alleen zijn in het heelal.

Twee sondes hebben grens bereikt

Om het zonnestelsel van buitenaf te bekijken, moet de sonde de heliosfeer verlaten – dat is de naam van de enorme bel rondom de zon. Deze bel bestaat uit deeltjes die voortdurend uit de zon stromen. Deze zonnewind duwt het interstellaire gas weg over een afstand van 18 miljard kilometer.

De heliosfeer is gigantisch en slechts twee ruimtevaartuigen hebben hem ooit verlaten: de Voyagers die in 1977 door NASA werden gelanceerd. In 2012, na een reis van 35 jaar, vloog de Voyager 1 door de heliopauze: de grens tussen de heliosfeer en de interstellaire ruimte. In 2018 deed de Voyager 2 hetzelfde.

De Voyagers sturen nog steeds gegevens naar de aarde, maar ze kunnen ons maar weinig vertellen over de interstellaire ruimte. De verouderde sondes zijn sowieso niet geschikt voor deze taak en hadden als voornaamste doel het bestuderen van gasplaneten. Daarnaast zijn de radioactieve accu's van de sondes over een paar jaar op.

Maar omdat de instrumenten van de Voyagers nog steeds werken, hebben ze wetenschappers al veel geleerd over de verschillen tussen de heliosfeer en de interstellaire ruimte.

Toen ze de heliopauze bereikten, registreerden de sensoren van de Voyagers plotseling veel meer deeltjes – de dichtheid van elektronen steeg van 2000 per m2 tot het 20-voudige. Tegelijkertijd daalde de temperatuur in het dunne gas van geladen deeltjes dat natuurkundigen plasma noemen.

Bovendien kunnen wetenschappers zien dat de Voyagers nu geraakt worden door meer kosmische straling – in de vorm van hoogenergetische deeltjes. Dit wijst erop dat de heliosfeer ongeveer 70 procent van deze straling tegenhoudt, die schadelijk kan zijn voor levende wezens.

Als de Voyagersondes de beschermende heliosfeer van het zonnestelsel hebben verlaten, worden ze aan meer kosmische straling blootgesteld.

© NASA

De Voyager 2 bereikte de interstellaire ruimte op een afstand van 17,8 miljard km van de zon, terwijl de Voyager 1 hier 18,2 miljard km voor moest afleggen. De heliosfeer is dus niet perfect rond. Het is dan ook mogelijk dat de zon een lange staart van deeltjes achterlaat tijdens zijn reis rond het centrum van de Melkweg.

Vlucht langs onbekende hemellichamen

Welke vorm de heliosfeer heeft en waar de interstellaire ruimte precies uit bestaat, kan de interstellaire sonde alleen meten met instrumenten die speciaal hiervoor zijn gemaakt.

Maar de sonde wordt ook uitgerust met andere instrumenten, die lang voordat ze haar einddoel bereikt worden geactiveerd. Waarschijnlijk wordt er namelijk gekozen voor een route die vlak langs een aantal hemellichamen gaat waar astrofysici graag meer over willen weten.

We weten inmiddels best veel over onze acht planeten, maar in de buitenste regionen van het zonnestelsel komen hemellichamen voor waar we nog niets van weten.

Daarom staat een fly-by langs een onbekende planeet helemaal bovenaan het verlanglijstje van de astronomen. De zogenoemde Planeet 9 is dus nog maar een hypothese, maar wel een goed onderbouwde hypothese.

Sinds 2016 zijn de astronomen Michael Brown en Konstantin Batygin ervan overtuigd dat er nog een onbekende en behoorlijk grote planeet op grote afstand rond de zon draait.

Ze denken dit omdat er veel kleine hemellichamen zijn, ver buiten het bereik van Neptunus, die allemaal een vergelijkbare baan afleggen. Dat wil zeggen dat er een groot object moet zijn dat ze vasthoudt – een planeet die ongeveer vijf keer zo zwaar is als de aarde, buiten de heliopauze.

‘Om echt goed te kunnen onderzoeken wat daar is [...] moeten we zo snel mogelijk het zonnestelsel verlaten.’ Astronoom Ralph McNutt

Omdat deze hypothetische negende planeet zo ver weg is, is het heel moeilijk om hem met een telescoop te zien. Als het lukt om Planeet 9 te ontdekken voordat de interstellaire sonde gelanceerd wordt, is het logisch om erlangs te vliegen om meer informatie te verzamelen.

De zon werkt als katapult

De Interstellar Probe wordt op zijn vroegst in 2030 gelanceerd – dan is Ralph McNutt 75 jaar. En als de sonde informatie begint te sturen over de interstellaire ruimte, dan heeft een nieuwe generatie wetenschappers het overgenomen. Maar dat vindt McNutt niet erg – hij wil gewoon dat de missie doorgaat.

De geplande raket SLS van NASA kan de interstellaire sonde genoeg snelheid geven. De 100 meter hoge raket moet ook astronauten naar de maan en Mars brengen.

© MSFC/NASA

De moeilijkste taak is om genoeg snelheid te maken Er is een gigantische ruimteraket nodig, maar met het 100 meter hoge Space Launch System van NASA moet het mogelijk zijn. Bovendien kan een gewaagde manoeuvre vlak bij de zon de sonde een extra zetje geven.

Een interstellaire sonde die informatie over de ruimte op 150 miljard kilometer van de zon terugstuurt naar de aarde kan gezien worden als de generale repetitie voor een nog langere reis naar een ster met haar eigen planeten.

Zo'n ruimtereis is met de huidige technologie nog niet mogelijk, want de meest nabije ster bevindt zich op 40.000 miljard kilometer afstand. Maar elke reis begint met een eerste stap – en met de Interstellar Probe heeft de mens zijn eerste stap gezet buiten het zonnestelsel.