Met welk lichtzeil varen we naar de sterren?

Vergeet de enorme ruimteschepen waarmee de mens in sciencefictionfilms en -boeken van ster naar ster pendelt. In de echte wereld is het waarschijnlijker dat kleine, onbemande en ultralichte sondes voor ons op weg gaan naar de sterren. Voorlopig is er alleen een voorzichtig plan om naar de driedubbelster Alpha Centauri te reizen, op een afstand van 4,3 lichtjaar de dichtstbijzijnde sterren tot ons zonnestelsel.

Deze nogal extreme ruimtemissie vraagt om extreem ingenieurswerk. Een belangrijke vraag is waar je een lichtzeil van maakt dat tien vierkante meter groot is en minder dan een gram weegt. Bovendien moet het robuust zijn en mag het niet te heet worden door de laser. Wetenschappers van het California Institute of Technology (die niet aan het Starshot-initiatief verbonden zijn) publiceren deze week een verkennende studie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Materials.

Perfecte spiegel

Een lichtzeil is géén sciencefiction. De Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA testte het concept in 2010 al met de IKAROS-missie naar Venus, dat met de kracht van het zonlicht over een periode van drie jaar een (extra) snelheid bereikte van zo’n 1500 km/h. Het zeil was gemaakt van een kunststofpolymeer en was 7,5 micrometer dik (ongeveer een tiende van een haardikte), met daarop een dunne reflecterende aluminiumlaag. Starshot moet nóg veel dunner. De gehele sonde inclusief lichtzeil heeft een maximumgewicht van ongeveer een gram, een kwart van een suikerklontje. Joeson Wong en collega’s kijken daarom naar materialen van minder dan 0,1 micrometer dik. Het heeft niet meer dan 100 atoomlagen.

Je kan zo’n dun laagje van goud of zilver maken. Dat zijn goede reflectoren voor het beoogde infrarode laserlicht, maar niet goed genoeg. Zelfs wanneer het lichtzeil een fractie van het licht van de aandrijflaser absorbeert, oververhit het zeil en smelt. Halfgeleidende materialen zoals molybdeenselenide of galliumarsenide spiegelen beter maar zijn weer te zwaar. Uiteindelijk komen de onderzoekers uit op silicium, diamant of molybdeensulfide, wat een goede middenweg is tussen spiegelen en lichtgewicht.

De lange weg naar Alpha Centauri

Eenmaal onderweg komt het lichtzeil gevaren tegen in de vorm van waterstof en heliumatomen die in zeer lage concentraties in de ruimte zweven. Ook beuken er minuscule stofdeeltjes met twintig procent van de lichtsnelheid op het zeil in. Zeker de stofdeeltjes vormen een potentieel gevaar. Het lichtzeil komt er naar schatting een miljard tegen onderweg. Deeltjes kleiner dan 0,3 micrometer smelten waarschijnlijk en laten kleine gaatjes achter in het zeil. Toch zijn de onderzoekers optimistisch: waarschijnlijk verlies je over de gehele reis minder dan 0,1 procent van het oppervlak van het zeil. Bovendien: het zeil kun je na de korte versnellingsfase ook dumpen, het is dan eigenlijk niet meer nodig.

Al met al zijn de onderzoekers voorzichtig positief over de interstellaire reis met een lichtzeil, al is er nog erg veel theoretisch en praktisch onderzoek nodig. Dat gaat nog jaren duren. In die zin is niet alleen de afstand tot de sterren onnoemelijk groot, maar heeft ook de ontwikkeling van het lichtzeil nog een enorme weg te gaan. Om nog maar te zwijgen over de onwaarschijnlijk krachtige 100 gigawatt laser die nodig is als aandrijving, of het minder dan een gram wegende ruimteschip.