Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd op Supercluster, een website gewijd aan het vertellen van de grootste verhalen in de ruimte in de mensheid.
Carl Sagan droomde ervan om door het zonnestelsel te navigeren op zeilen die door windvlagen worden voortgestuwd en uit onze gastheerster stromen.
Nu wil de Planetary Society, onder leiding van CEO Bill Nye "the Science Guy", helpen deze droom te verwezenlijken met een satelliet die niet groter is dan een schoenendoos. Deze 'zonnezeilen', die slechts een handjevol keren zijn getest, kunnen op een dag ruimtevaartuigen naar andere planeten of misschien zelfs andere sterrenstelsels vervoeren.
De volgende fase van zeilen op zonne-energie gelanceerd op 24 juni, toen een SpaceX Falcon Heavy-raket van het lanceerplatform in het Kennedy Space Center van Florida werd getild. Verscholen in zijn enorme neuskegel, tussen twee dozijn andere satellieten, zat een klein ruimteschip: een apparaat ter grootte van een broodbrood, ontworpen om zichzelf voort te stuwen door ragfijne zeilen die de druk van zonlicht opvangen.
Het vaartuig, LightSail 2 genaamd, zou het begin kunnen zijn van een nieuw tijdperk van ruimtevaart - een tijdperk waarin ruimtevaartuigen afzien van de raketmotoren waarop ze al tientallen jaren vertrouwen en elegant varen op de wind van de zon. Ongeveer zeven dagen na de lancering zal LightSail 2 uit de container springen, vier 13-voet gieken uitschuiven en vier spiegelachtige vellen Mylar inzetten die samen een vliegervormig zeil van 340 vierkante voet vormen. Het volgende deel is pure kosmische magie.
Volgens de Planetary Society zal LightSail 2 het eerste vaartuig zijn dat strikt door licht navigeert in de baan van de aarde. LightSail zal dan als een zeilboot overstag gaan om zijn hoogte te verhogen, wat het de onderscheiding oplevert als het eerste ruimtevaartuig dat naar een hogere baan rond onze planeet vaart. Deze prestatie van hemelse navigatie zou een nieuwe stap kunnen zijn in de richting van Carl Sagans droom van reizen door de kosmos op reflecterende zeilen voortgestuwd door lichtstralen.
**********
Als je je handen naar de zon uitstrekt, wat voel je dan? Warmte. Maar verborgen tussen de warmte is een druk, zodat je het nooit zou merken. Licht zelf oefent een kracht uit, zoals een winderige bries, maar het is zo subtiel dat je het nooit zou opmerken. Op aarde is het ongeveer hetzelfde als een paperclip die in je handen rust.
Maar in het bijna-vacuüm van de ruimte, zelfs een kleine druk, want dat kan een groot effect hebben, omdat het de hele tijd duwt, uur na uur, dag na dag. En in tegenstelling tot raketbrandstof is er een gratis en vrijwel onbeperkte hoeveelheid zonlicht. Als we deze kracht kunnen benutten, kunnen we het gebruiken; alles wat we nodig hebben zijn zeilen. Net als zeevarenden van vroeger, zouden toekomstige ruimtevaartuigen (en ruimtevaarters) zichzelf met behulp van de zon in de enorme kosmische uitgestrektheid kunnen voortbewegen - of tenminste, zo zag Sagan het.
Diagram van een ruimtependel die een licht zeil van zijn vrachtruim vrijgeeft. (JPL) Sagan had een grootse visie op de toekomst van de verkenning van de ruimte en stelde zich voor dat astro-zeilers zouden deelnemen aan intergalactische regatta's en hun ruimteschepen door het universum zouden racen door gebruik te maken van de kracht van sterrenlicht. Maar hij was niet de eerste die de mensheid voor zich zag varen door het licht.
Vier eeuwen geleden schoot een komeet door de lucht en trok de aandacht van de Duitse astronoom Johannes Kepler. Hij merkte dat de staart van de komeet zich erachter leek te verspreiden. Zonlicht, dacht hij, moet de komeet verwarmen en materiaal van het oppervlak bevrijden. Deze scherpzinnige observatie bracht Kepler ertoe te denken dat zonlicht een nuttige vorm van voortstuwing zou kunnen zijn.
"Zorg voor schepen of zeilen aangepast aan de hemelse wind, en er zullen sommigen zijn die zelfs die leegte zullen trotseren, " schreef hij aan Galileo in 1608.
Kepler leefde te midden van een wetenschappelijke renaissance, in een tijd waarin de mensheid zijn plaats in de kosmos begon te realiseren. De aarde was niet het centrum van het zonnestelsel, maar in feite een van de vele planeten die rond een van de vele sterren cirkelden. Omdat schepen - in die tijd een veel voorkomende vorm van reizen - door wind worden aangedreven, lijkt het vanzelfsprekend dat Kepler mensen op dezelfde manier zou zien varen als zeelieden de zeeën bevaren.
Maar het zou eeuwen duren voordat Kepler's dromen werkelijkheid werden.
In 1865 liet James Clerk Maxwell de wereld zien dat licht energiepakketten bevat, fotonen genoemd, en fotonen hadden een impuls die kon worden overgedragen op andere objecten. Als een foton in contact zou komen met een object als een glanzend zonneveer, zou het een deel van zijn energie overdragen en het zeil naar voren duwen.
Verschillende lichte zeilvormontwerpen. (Raquel Scoggin / Supercluster) Met de vooruitgang in de raketkunst na de Tweede Wereldoorlog, en met de lancering van Spoetnik in 1957, verschoof het idee van het verkennen van de kosmos plotseling van science fiction naar realiteit, en zonne-zeilen leek opnieuw een verleidelijke vorm van voortstuwing.
Kort na zijn oprichting begon NASA met het plannen van een hele reeks ambitieuze ruimtemissies, waaronder de financiering van verschillende zonnezeilstudies. In de jaren zeventig werd een plan uitgevonden om een komeet te ontmoeten - dezelfde komeet die Kepler eeuwen eerder in de lucht bespioneerde. Dit ruimteschip zou worden uitgerust met een zeil op zonne-energie, dat de energie van de zon gebruikt om zijn reis te maken. Helaas werd het plan gesloopt voordat het het lanceerplatform kon bereiken, maar het idee van zonnevaren zou voortleven.
Lou Freedman, een NASA-ingenieur die aan die inmiddels ter ziele gegane missie werkte, was er nog steeds van overtuigd dat varen op zonne-energie een levensvatbare vorm van voortstuwing was. Hij (samen met Carl Sagan en Bruce Murray, voormalig hoofd van het Jet Propulsion Laboratory van NASA) was mede-oprichter van de Planetary Society in 1980 om zonne-zeilen tot een realiteit te maken.
"Zeilen op zonne-energie is in het algemeen in het DNA van de Planetary Society verankerd sinds we zelfs werden opgericht, " vertelt Jennifer Vaughn, de belangrijkste operationele officier van de maatschappij, aan Supercluster . "Alle drie onze oprichters hadden een hand in de vroege stadia van zonnevaren."
**********
Uitzoeken hoe je een enorm, ultralicht zeil op zonne-energie kunt bouwen en het vervolgens betaalbaar in de ruimte kunt lanceren, zou een grote uitdaging blijken te zijn. Maar de groep zette door en de eerste poging van de maatschappij om te varen op zonne-energie raakte uiteindelijk het lanceerplatform in 2005 in de vorm van een ruimtevaartuig genaamd Cosmos 1. Helaas bereikte de potentiële satelliet geen baan, stortte neer in de buurt van Rusland in de Barents zee. Het zou nog tien jaar duren voordat de Planetary Society hun eerste succes op zonnezeilen zou behalen.
Diagram van een zonnezeil. (JPL) Missiemanagers gingen terug naar de tekentafel en besloten kleiner te denken voor hun volgende poging. Cubesats - die ongeveer de grootte van een brood hebben - waren de ruimtevluchtscène binnengedrongen en waren een goedkoper alternatief voor traditionele, omvangrijke satellieten.
Volgens Bill Nye heeft de komst van CubeSats geleid tot het huidige ontwerp van vierkante zeilen. "Een vierkant zeil blijkt een redelijk goed uitgangspunt en een redelijk goed ontwerp, " vertelde Nye aan Supercluster.
Het resulterende vaartuig, genaamd LightSail 1, was een verkleinde versie van Cosmos 1. Deze mini-satelliet in schoenendoosformaat werd gelanceerd in 2015, liftend op een Atlas V-raket en vliegend in een baan naast de clandestiene X-37B-ruimtevliegtuig van de luchtmacht .
Eenmaal in een baan bewees LightSail 1 dat het met succes zijn zeil kon inzetten in het vacuüm van de ruimte. Maar de kleine satelliet had tijdens zijn missie te maken met talloze problemen, waaronder softwarefouten, signaalverliezen en batterijproblemen. Na een tumultueuze tijd in een lage baan om de aarde, zette het kleine vaartuig zijn naamgenoot in: vier glanzende mylar zeilen, waaruit blijkt dat je een volledig licht zeil in een klein pakket kunt passen.
Ondanks de tegenvallers was LightSail 1 een demonstratie van technologie. Om dit te vieren straalde het de ultieme selfie terug. Maar het zorgde er ook voor dat mensen omhoog keken en probeerden het vaartuig te spotten terwijl het boven de aarde opsteeg. Nye was zelfs in staat om de kleine satelliet in de nacht te zien glinsteren terwijl deze over de licht vervuilde lucht van New York City passeerde.
Met heel weinig deeltjes om een licht zeil met weerstand te vertragen, zou het een ruimtevaartuig in de loop van de tijd tot zeer hoge snelheden kunnen versnellen. (Raquel Scoggin / Supercluster) Op dit punt komen was een enorme prestatie voor de Planetary Society, een non-profit gevormd om ruimtewetenschap en verkenning te bevorderen. "Ruimte haalt het beste in ons naar boven", zegt Bill Nye. "Het spreekt alle mensen en alle nationaliteiten aan."
Meer dan 40.000 leden van de Planetary Society hebben deze missie (en de ontwikkeling van zonnevaren) ondersteund en doneerden van $ 5 tot meer dan $ 1 miljoen om de organisatie te financieren.
"Het is ongelooflijk zeldzaam dat je de kans krijgt om deel te nemen aan de eerste fasen van een nieuwe voortstuwingstechnologie voor ruimtevaartuigen", zegt Bruce Betts, missiemanager van LightSail. “Er zijn er niet zoveel. In de beginfase zijn, de eerste stappen van zonnevaren, is een hele eer. ”
**********
In de loop der jaren hebben de Planetary Society hun zeilschepen gebouwd, maar anderen over de hele wereld zijn ook vertrokken.
Een testmissie uit 2015 genaamd CubeSail, gebouwd door het Surrey Space Centre in het VK, werd gestart maar kon niet goed worden geïmplementeerd. Drie andere kleine zeilmissies - NanoSail-D van NASA, CanX-7 van Canada en InflateSail van Surrey - hadden enig succes, maar net als LightSail 1 waren hun missies beperkt tot een lage baan om de aarde.
Diagram van een zonnezeil. (JPL) Japan heeft tot nu toe het meeste succes gehad met varen op zonne-energie, omdat het Interplanetary Kite-Craft Accelerated by Radiation Of the Sun (IKAROS) in 2010 in een baan rond de zon werd gelanceerd. Eenmaal in de diepe ruimte draaide het een 46-voet wijd open vierkant zeil en, voor het eerst in de geschiedenis, begon te sturen en zijn snelheid te veranderen met de kracht van zonneschijn.
Het ruimtevaartuig had ook zonnecellen ingebed in zijn vliegervormig zeil om elektriciteit op te wekken. Van de cellen werd niet verwacht dat ze tijdens de vlucht veel kracht zouden produceren, maar in plaats daarvan hielpen ze als testbank voor toekomstige ionenaandrijfmotoren.
IKAROS heeft de komende drie jaar de versnelling als gevolg van lichte druk gemeten. Het testte ook verschillende manieren om zijn beweging te controleren met behulp van vloeibare kristallen (lijkend op een elektronisch LCD-display) ingebed in het zeil dat de reflectiviteit van het vaartuig kon aanpassen en de snelheid ervan kon veranderen. Elektriciteit die door de panelen stroomt verhoogde de reflectiviteit, waardoor het ruimtevaartuig vooruit kon versnellen, terwijl het uitschakelen van de stroom de zonlichtdruk diffuser maakte.
Japanse ruimteambtenaren zeggen dat IKAROS in staat was om zowel zijn koers als zijn oriëntatie aan te passen vóór het geplande einde van de missie in 2015. Contact met IKAROS is verloren, maar daaropvolgend volgen toont aan dat het zonnezeil rond de zon blijft lopen tussen de aarde en Venus en de vorm van zijn baan blijft veranderen als gevolg van veranderingen in lichte druk.
Maar naast de successen ervan, laten IKAROS-gegevens zien dat we nog een lange weg te gaan hebben voordat we het volledige potentieel van zonnevaren realiseren. De Planetary Society hoopt dat als alles volgens plan verloopt, LightSail 2 zal helpen zonne-zeilen om te vormen tot een betrouwbare, goedkope, nul-stuwstofmethode om door de ruimte te vliegen.
Vanaf daar zijn de mogelijkheden bijna onbegrensd. Met een licht zeil kan een ruimtevaartuig naar de maan gaan, naar asteroïden, naar Jupiter - overal waar de wind van licht waait, zonder brandstof.
