Wetenschap zit Star Wars op de hielen

Hyperaandrijving en licht­zwaarden kennen we van Star Wars, maar de wetenschap nadert het verre sterrenstelsel dichter dan ooit. De films boden inspiratie voor ontdekkingen, en spoedig kunnen we robotartsen en ruimteschepen zo snel als het licht verwachten.

Hyperaandrijving en licht­zwaarden kennen we van Star Wars, maar de wetenschap nadert het verre sterrenstelsel dichter dan ooit. De films boden inspiratie voor ontdekkingen, en spoedig kunnen we robotartsen en ruimteschepen zo snel als het licht verwachten.

Lang geleden, in een sterrenstelsel hier ver, ver vandaan, reisden mensen met ruimteschepen sneller dan het licht en vochten ze knetterende duels uit met lichtzwaarden.

Ze kregen robotarmen, praatten met 3D-hologrammen en vaagden complete sterrenstelsels weg met wapens ter grootte van planeten.

De technologie in Star Wars was de werkelijkheid altijd ver vooruit, maar her en der in onderzoekslaboratoria is echte techniek de ruimteschepen, robots en geneeskunde uit de filmwereld langzamerhand aan het inhalen.

De prothese doet denken aan deze robotarm uit Star Wars Episode V.

© Star Wars/Lucasfilm

Geïnspireerd door de films heeft de wetenschap een aantal ontdekkingen gedaan en technologische stappen gezet, waardoor ziekten nu effectiever behandeld worden, terwijl astronomen steeds meer planeten vinden die sprekend lijken op die uit Star Wars.

In de toekomst kunnen we zelfs supercomputers verwachten op basis van fotonen, en ruimtevaartuigen die de snelheid van het licht naderen.

Geneeskunde

Prothesen zijn aan te sturen met je gedachten, en de echte versie van de droids uit Star Wars wordt de chirurg van de toekomst.

Van torpedo tot kankerbehandeling

In de Star Wars-film A New Hope uit 1977 vernietigt de held Luke Skywalker de Death Star, een militaire basis ter grootte van een maan, door precies de zwakke plek ervan te raken met protontorpedo’s.

In de echte wereld keren onderzoekers de techniek om en gebruiken ze protonen juist om levens te redden.

Geïnspireerd door de precisie van de torpedo’s ontwikkelen ze protonentherapie, waarbij protonen heel nauwkeurig op een tumor worden afgevuurd.

Bij traditionele bestraling bestrijdt een röntgen­apparaat een tumor met ioniserende straling. Die straling is energierijk genoeg om elektronen los te rukken uit atomen en zo de moleculen in de door kanker getroffen cellen kapot te maken.

Maar het nadeel van röntgenbestraling is dat ook gezond weefsel rondom de tumor beschadigd wordt.

In Star Wars voeren droids operaties uit (links). In het echt gebruiken chirurgen de robot da Vinci voor complexe operaties (rechts). Da Vinci heeft nu nog menselijke commando’s nodig, maar er wordt gewerkt aan een nieuwe generatie van het apparaat, dat helemaal zelfstandig werkt.

© Intuitive Surgical & Wookieepedia

Protonen zijn preciezer.

Een zogeheten synchrotron versnelt de deeltjes tot een bepaald energieniveau, dat kan worden omgerekend tot een bepaalde diepte in het lichaam: precies daar waar de tumor zich bevindt.

De meeste energie van de protonen komt vrij wanneer de deeltjes in het weefsel worden afgeremd.

Door het ‘stoppunt’ van de deeltjes boven in de tumor te plaatsen, kan het grootste deel van de schadelijke stralingsenergie worden afgegeven in het zieke weefsel, waardoor het gezonde weefsel eromheen wordt ontzien.

© Mobius Bionics LLC

Robotarm wordt met gedachten bestuurd

LUKE arm beweegt als je aan de beweging denkt en geeft iemand zelfs zijn tastzin terug met behulp van elektroden die signalen uit de hersenen naar de arm sturen en vice versa. De arm is geïnspireerd op de Star Wars-held Luke Skywalker, die zijn hand verliest en een natuurgetrouwe prothese krijgt.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Elektroden vangen hersensignalen op

Elektroden in de schouder worden met het zenuwstelsel verbonden. Ze registreren de signalen van de motorische cortex, die via de zenuwbanen commando’s voor bewegingen rondstuurt.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Algoritme stuurt motoren aan

Een computerchip ontvangt de signalen uit de hersenen. Een algoritme vertaalt ze in bevelen, die naar motortjes in de hand gaan, zodat iemand bijvoorbeeld een bal kan vastpakken.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Vingers

Sensoren in de vingers meten onder meer druk en temperatuur. De data gaan gehercodeerd als impulsen via de elektroden in de schouder naar de sensorische cortex, die zintuiglijke indrukken vormt.

Zie de robotarm LUKE Arm in actie

Techniek

Met door lasers aangedreven ruimtevaartuigen en manipulatie van fotonen naderen we de lichtsnelheid – en het lichtzwaard.

Hologram leidt tot wiskunde in 3D

Protonentherapie wordt op diverse plekken al toegepast, op de voet gevolgd door een andere geneeskundige technologie: driedimensionale hologrammen.

Deze virtuele projecties van personen waren in de loop van de jaren een vast bestanddeel van het Star Wars-universum. De technologie heeft inmiddels navolging gekregen in de werkelijkheid en is zo ver gevorderd dat artsen organen in 3D kunnen onderzoeken.

Onderzoekers lieten fotonen, die zich gewoonlijk niet binden, kleine ketens vormen. De ketens, die het dichtst bij het legendarische lichtzwaard uit Star Wars komen, worden mogelijk toegepast in ultrasnelle kwantumcomputers.

© Shutterstock & Claus Lunau

Laser treft rubidium

Een wolk van rubidiumatomen wordt gekoeld tot een miljoenste graad boven het absolute nulpunt, -273,15 °C. Bij deze temperatuur staan atomen bijna stil. Dan gaat er een laserstraal door de wolk, zo zwak dat er slechts enkele fotonen tegelijk passeren.

© Shutterstock & Claus Lunau

Fotonen maken verbinding

In de wolk springen de fotonen van atoom naar atoom. Fotonen kunnen zich niet aan elkaar binden, maar wel samen met een atoom een hybride vormen, een polariton. Twee polaritonen kunnen een verbinding aangaan en zo de fotonen verbinden.

© Shutterstock & Claus Lunau

Foton onthoudt koppeling

De fotonen zijn verzameld in groepjes van drie en hebben een massa van een fractie van een elektron, hoewel ze gewoonlijk geen massa hebben. Als de fotonen de wolk verlaten, laten ze de rubidiumatomen los, maar ze onthouden de koppeling wel.

© Shutterstock & Claus Lunau

Voilà, een lichtzwaard

De fotonenketen doet denken aan een lichtzwaard, dat uit licht in een vast patroon lijkt te bestaan. De ketens zijn als qubits in kwantumcomputers te gebruiken.

Zo maakt het Australische bedrijf Voxon Photonics natuurgetrouwe 3D-hologrammen in een glazen koepel. Hun systeem VX1 projecteert een half miljard lichtpuntjes per seconde. Het voorwerp, een lever bijvoorbeeld, wordt digitaal als een cake in honderden plakjes gesneden.

Elk plakje wordt als licht door een scherm heen geprojecteerd dat razendsnel op en neer gaat en de lagen zo snel laat zien dat het oog de verschillen niet kan registreren. Daarom zie je een 3D-hologram, hoewel het in feite allemaal laagjes zijn.

De technologie is niet alleen toepasbaar in de medische wereld. De makers willen ook gameconsoles ontwikkelen waarmee de spelers kunnen wedijveren met 3D-figuren op het scherm voor hen.

500 miljoen lichtpuntjes per seconde projecteert de hologrammachine VX1.

Daarnaast kunnen hologrammen worden ingezet in het onderwijs, bijvoorbeeld om de planeten in het zonnestelsel of geavanceerde wiskundige 3D-modellen van alle kanten te bestuderen.

Werkelijkheid haalt Star Wars in

De eerste Star Wars-film bevatte allerlei wilde sciencefictiontechnologie

Toen de film in 1977 uitkwam, zou het nog zeven jaar duren voor de eerste mobiele telefoon uitkwam, en 25 jaar voor de eenvoudige robotstofzuiger de wereld veroverde. Maar in Star Wars wemelde het van de lasers, ruimteschepen op zonne-energie en intelligente robots.

Inmiddels maakt de technologie uit Star Wars op bepaalde punten een verouderde indruk.

Zo hebben de computers in de films een korrelig beeld en worden belangrijke gegevens opgeslagen op fysieke eenheden in plaats van te worden verstuurd via een versleutelde internetverbinding.

Star Wars bevat echter ook technologie die nog steeds onmogelijk lijkt, zoals de mythische lichtzwaarden en de duizelingwekkende snelheden van de ruimteschepen.

Maar ook hier komen we stapje voor stapje dichter bij de films. Wetenschappers overal ter wereld laten zich niet afschrikken door de extreemste Star Wars-technologieën – ook niet als deze de natuurwetten tarten.

De ruimteschepen in Star Wars bereiken bijvoorbeeld vaak de lichtsnelheid, en veel ruimtevaartingenieurs hebben de ambitie om op lange termijn motoren te bouwen die de lichtsnelheid naderen, of overschrijden, en zo verre sterrenstelsels kunnen bereiken.

Astronomie

De extreme werelden in Star Wars zijn niet onrealistisch. Er zijn planeten ontdekt die verdacht veel lijken op die in de films.

We ontdekken steeds meer extreme exoplaneten die doen denken aan die in Star Wars. De afgelopen jaren spotten telescopen onder meer ijs- en lavaplaneten.

© JPL-Caltech/NASA

Dubbelsterrenstelsels: Exoplaneet heeft twee zonnen

De woestijnplaneet Tatooine in Star Wars heeft twee zonnen. Volgens astronomen heeft mogelijk de helft van alle sterrenstelsels twee of drie sterren. Zo nam de Keplertelescoop de exoplaneet Kepler-16b waar, die net als Tatooine om twee sterren draait: een kleine in een baan om een grotere.

© Dana Berry/Kepler Mission/NASA

Lavaplaneten: Extreme hitte smelt ijzer

In Star Wars komt de lavaplaneet Mustafar voor. De exoplaneet Kepler-10b lijkt daar sterk op. Hij heeft drie à vier keer de massa van de aarde en een 1,4 keer grotere diameter. Kepler-10b heeft geen atmosfeer, en de temperatuur is er gemiddeld 1400 °C – zo heet dat ijzer smelt.

© ESO & Claus lunau

IJskoude werelden: Dikke laag ijs bedekt planeet

De planeet OGLE-2005-BLG-390Lb lijkt zo sterk op de ijsplaneet Hoth uit Star Wars dat NASA hem die bijnaam heeft gegeven. De planeet doet er tien jaar over om rond zijn ster te draaien, die een vijf keer zo kleine massa heeft als de zon. De temperatuur op het echte Hoth is -220 °C.

Lichtzeil moet naar andere sterren

De laatste jaren interesseren ingenieurs zich vooral voor een ‘motor’ zonder brandstof: het lichtzeil. Fotonen, de kleinste bestanddelen van licht, kunnen een ruimtevaartuig voortstuwen door hun energie op een groot vlak over te brengen.

Het ruimtevaartuig StarChip bereikt 20% van de lichtsnelheid, wat het nog niet haalt bij Star Wars. De StarChip versnelt doordat fotonen uit lasers op aarde tegen een zeil ‘duwen’. De laserstralen passen hun richting synchroon aan om het zeil onderweg steeds te blijven raken.

© claus lunau

Hoewel elk foton maar een klein beetje energie overbrengt, kunnen de deeltjes een zeil over honderdduizenden kilometers afstand blijven raken.

En er is in de ruimte geen luchtweerstand of andere wrijving die ze afremt. De onderzoekers denken daarom dat een lichtzeil potentieel 20 procent van de snelheid van het licht kan bereiken.

Dat brengt de dichtstbijzijnde ster buiten het zonnestelsel, Proxima Centauri, binnen enkele decennia binnen bereik.

Nu is dat nog niet zo. De ruimtesonde Voyager 1 is weliswaar de grens van het zonnestelsel gepasseerd, maar het duurt nog 75.000 jaar voordat hij bij Proxima Centauri is.

Het plan is om sommige lichtzeilen door lasers te laten ‘voortduwen’ en andere voort te stuwen met behulp van de zon. Onlangs testte de organisatie The Planetary Society de LightSail 2, een vierkant zonnezeil van 32 m2.

Het zeil werd op 23 juli 2019 uitgeklapt en had vier dagen later, slechts met behulp van de straling van de zon, een minisatelliet 2 kilometer hoger in de ruimte gebracht. De testvlucht toont aan dat het basisprincipe van de lichtzeilen deugt: fotonen zijn in staat om zonder verdere hulp een ruimtevaartuig voort te ‘duwen’.

Warpsnelheid is mogelijk

In Star Wars vliegt het snelste ruimteschip met 1000 keer de lichtsnelheid. En als we echt ver het heelal in willen, moeten we de grenzen van de natuurwetten opzoeken. Ingenieurs van NASA hebben de zogeheten Alcubierre-drive onderzocht.

Volgens Einstein kan geen enkel object de lichtsnelheid overschrijden in een vacuüm, maar kan de natuur zelf deze universele snelheidsgrens wel doorbreken. Hoewel een ruimteschip niet sneller kan gaan dan het licht, kan de ruimtetijd zelf – de materie waaruit het heelal bestaat – wel uitdijen met een grotere snelheid dan het licht.

Dat gebeurde in de prille jeugd van het universum, toen het in fracties van een seconde extreem uitdijde.

2 km steeg een satelliet op slechts geholpen door de straling van de zon.

De Alcubierre-drive benut dit fenomeen door een ruimteschip in een ‘warpbubbel’ te plaatsen, waarbij de ruimtetijd achter het ruimteschip uitdijt en ervóór samentrekt.

Dan overschrijdt het schip, meegevoerd door de ‘verschoven’ ruimtetijd, de lichtsnelheid. Er zijn nog wel wat barrières te slechten. Zo moet de Alcubierre-drive zogenoemde negatieve energie gebruiken om de ruimtetijd te vervormen, en negatieve energie is nog niet waargenomen in de natuur.

De Star Wars-planeet Starkiller Base verzwelgt een ster om de energie ervan af te vuren. In het echt kunnen alleen zwarte gaten sterren verzwelgen. In 2018 zagen we voor het eerst hoe materiaal werd weggeslingerd terwijl een ster steeds dichter naar een zwart gat toe draaide.

© Star Wars/Lucasfilm & Sophia Dagnello/NRAO/AUI/NSF

Als het lukt om de extreme ‘motoren’ te realiseren, heeft Star Wars niet alleen zijn stempel gedrukt op de wetenschap op aarde, maar zijn de films ook een inspiratiebron geweest om de mens tot buiten het zonnestelsel te brengen, zodat we net als in de films een interstellaire soort kunnen worden.