Kunnen we straks met grafeen de ruimte in?

Er waren slechts vijf kansen om het experiment uit te voeren, verklaart Janssen. “De experimenten in een valtoren zijn bewerkelijk en duren lang”, zegt ze. “De toren moet helemaal vacuüm worden gepompt, alleen dat duurt al uren. Bovendien moeten wij het experiment na iedere test weer klaarmaken, waardoor het vacuüm er weer af moet. Iedere dag kunnen er twee experimenten gedaan worden in de toren, en wij kregen gedurende een werkweek één kans per dag.”

Graag hadden de onderzoekers het experiment vaker herhaald en onder meer omstandigheden getest. Zoals met rode en groene lasers. “Door te kijken naar de efficiëntie van de aandrijving met verschillende kleuren kom je meer te weten over het aandrijfmechanisme”, zegt Janssen. “Helaas hadden we daar echt te weinig experimenten voor.”

De proeven waren uitdagend. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om de capsule van beneden omhoog de toren in te schieten, waarna hij weer kaarsrecht naar beneden valt. De tijd van de vrije val wordt daarmee verdubbeld, tot maximaal 9,3 seconden. De jonge onderzoekers kwamen er echter snel achter dat zo’n ‘lancering’ het experiment verstoorde, waarna werd besloten om de laatste twee pogingen alleen naar beneden ‘te vallen’.

Eerlijk is eerlijk, het enkele resultaat is te weinig om het potentieel van een lichtzeil van grafeen te testen. “Maar het is een begin”, zegt Janssen. “Wij wilden dit concept op een fundamentele wijze testen, dat was nog niet eerder gedaan. Bovendien hopen we vervolgexperimenten te doen in de valtoren.”

Kaarsrecht omhoog en omlaag

Om de subtiele effecten van de laser op het grafeen zichtbaar te maken, deden de wetenschappers de experimenten in gewichtsloosheid. Je hebt dan als onderzoeker verschillende keuzes. Zo kun je een experiment naar de ruimte schieten, bijvoorbeeld naar het internationale ruimtestation ISS waar astronauten het voor je uitvoeren. Perfecte omstandigheden wat betreft gewichtsloosheid, maar ruimtevaart is duur. Goedkoper is meegaan met een paraboolvlucht waarbij een omgebouwd passagiersvliegtuig tot ruim twintig seconden achter elkaar gewichtloosheid ervaart door een kilometerslange parabool te vliegen.

Toch gingen Janssen en collega’s voor de valtoren. Een die weliswaar een relatief korte periode gewichtsloosheid realiseert (maximaal 9,3 seconden), maar wel van hoge kwaliteit. “De valtoren-experimenten hebben een gewichtsloosheid die pakweg tienduizend keer ‘beter’ is dan een paraboolvlucht. De capsule ervaart een versnelling van slechts 0,000001 G, dat is nagenoeg volledig gewichtsloos”, zegt Janssen. “Ik vond het vrij indrukwekkend dat de technici in Bremen de capsule zo balanceren dat hij zonder geleiding ruim honderd meter nagenoeg loodrecht omhoog vliegt en daarna kaarsrecht naar beneden raast, om uiteindelijk in een grote bak met piepschuim tot stilstand te komen.”

Naar de sterren zeilen

Hoe staat het lichtzeil als aandrijving er nu voor? De enige succesvolle demonstratie werd geleverd door de Japanse ruimtesonde IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun), die zo mede werd aangedreven door zonlicht. In 2010 werd de sonde gelanceerd richting Venus. Hij woog ruim 300 kilo en had een groot polymeren lichtzeil van veertien bij veertien meter. Datzelfde jaar vloog de sonde langs de planeet en vervolgde zijn weg in een baan rond de zon. De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA meldde in 2013 dat de sonde door het lichtzeil een extra zet van ongeveer 1500 km/u had ontvangen.

Het lichtzeil van IKAROS was gemaakt van een dun polymeer. Kunnen we dat in de toekomst vervangen door grafeen? “Wellicht kan dat”, zegt Janssen. “Voor zijn geringe dikte is het materiaal enorm licht en sterk, dat zijn ideale eigenschappen. Het materiaal is wel wat stijver dan een polymeer, en dat is misschien lastig op het moment dat je het zeil moet opvouwen voor de lancering.”