Op 31 oktober 1936 verbrandden zes jonge knutselaars, bijgenaamd de “Rocket Boys”, zichzelf bijna in een poging om los te komen van de zwaartekracht van de aarde. De groep was bijeengedoken in een geul in de uitlopers van de San Gabriel Mountains in Californië om een kleine straalmotor te testen die op alcohol liep. Zij wilden bewijzen dat raketmotoren zich in de ruimte konden wagen, in een tijd waarin dergelijke ideeën alom met hoon werden ontvangen. Dat doel werd verstoord toen een zuurstofleiding vlam vatte en wild in het rond raasde, waarbij vlammen ontstonden.
De stoutmoedigheid van de Rocket Boys trok de aandacht van aërodynamicus Theodore von Karman, die al met twee van hen samenwerkte bij Caltech. Niet ver van de plaats van hun vurige ongeluk, richtte hij een klein testterrein in waar de Rocket Boys hun experimenten hervatten. In 1943 werd het terrein het Jet Propulsion Laboratory (JPL), en von Karman de eerste directeur. JPL is sindsdien uitgegroeid tot een uitgestrekt NASA veldcentrum met duizenden werknemers, maar het is erin geslaagd om zijn oorspronkelijke motivatie te behouden: het testen van de grenzen van exploratie, verdrag worden verdoemd.
Ze hebben veel successen gehad door de jaren heen. In het begin van de jaren 1970, JPL ingenieurs gebouwd Pioneer 10, het eerste ruimtevaartuig te ontsnappen snelheid van het zonnestelsel te bereiken. Een paar jaar later volgden de Voyagers 1 en 2, de snelste van de vele objecten die zich op de interstellaire ruimte richtten. Vanaf het begin van het ruimtetijdperk tot de lancering van de Voyager-ruimtetuigen – een spanwijdte van slechts twee decennia – hebben raketgeleerden de vliegsnelheden meer dan verdubbeld. Maar in de decennia daarna is slechts één ruimteschip de Voyagers gevolgd om het zonnestelsel te verlaten, en geen enkel heeft dat met zo’n hoge snelheid gedaan. Nu worden de raketbouwers van JPL weer onrustig en plannen ze in stilte de volgende grote sprong.
Het consequente thema van de nieuwe inspanningen is dat het zonnestelsel niet genoeg is. Het is tijd om verder te gaan dan de bekende planeten, in de richting van de sterren. John Brophy, een boordwerktuigkundige bij JPL, ontwikkelt een nieuwe motor die ruimtereizen met nog eens een factor 10 kan versnellen. Leon Alkalai, een JPL missie-architect, plant een verre reis die zou beginnen met een onwaarschijnlijke, Icarus-achtige duik in de richting van de zon. En JPL-onderzoekswetenschapper Slava Turyshev heeft misschien wel het wildste idee van allemaal, een ruimtetelescoop die een intieme blik zou kunnen werpen op een verre aarde-achtige planeet – zonder er daadwerkelijk heen te gaan.
Dit zijn allemaal lange kansen (niet helemaal gek, volgens Brophy), maar als er zelfs maar één slaagt, zullen de implicaties enorm zijn. De Rocket Boys en hun soortgenoten hielpen de mensheid als ruimtevarende soort te lanceren. De huidige generatie bij JPL zou ons wel eens interstellair kunnen brengen.
Rocket Reactions
Voor Brophy kwam de inspiratie van Breakthrough Starshot, een extravagant gedurfd project dat in 2016 werd aangekondigd door wijlen Stephen Hawking en de Russische miljardair Yuri Milner. Het uiteindelijke doel van het project is om een mijl brede laserarray te bouwen die een miniatuurruimtevaartuig naar 20 procent van de lichtsnelheid zou kunnen blazen, waardoor het in slechts twee decennia het Alpha Centauri-sterrensysteem (onze dichtstbijzijnde stellaire buur) zou kunnen bereiken.
Brophy was sceptisch maar geïntrigeerd. Ambitieuze aspiraties zijn niets nieuws voor hem. “JPL moedigt mensen aan om buiten de gebaande paden te denken, en mijn maffe ideeën worden mettertijd steeds maffer,” zegt hij. Zelfs volgens die norm leek het Starshot-concept hem een beetje te ver verwijderd van de technologische realiteit. Maar hij begon zich af te vragen of hij hetzelfde concept kon nemen, maar dan op een kleinere schaal, zodat het binnen ons leven echt haalbaar zou kunnen zijn.
Wat Brophy vooral boeide was het idee om een Starshot-achtige laserstraal te gebruiken om te helpen omgaan met de “raketvergelijking”, die de beweging van een ruimtevaartuig koppelt aan de hoeveelheid stuwstof die het vervoert. De raketvergelijking confronteert iedere aspirant-ruimtevaarder met zijn wrede logica. Als je sneller wilt gaan, heb je meer brandstof nodig, maar meer brandstof betekent meer massa. Meer massa betekent dat je nog meer brandstof nodig hebt om dat extra gewicht te vervoeren. Die brandstof maakt het geheel nog zwaarder, enzovoort. Daarom was er een raket van 1,4 miljoen kilo nodig om de Voyager-sondes van 1.800 kilo te lanceren: Het begingewicht bestond bijna volledig uit brandstof.
Sinds zijn studententijd eind jaren zeventig heeft Brophy een veel efficiënter type raket ontwikkeld, ionenvoortstuwing. Een ionenmotor gebruikt elektrische energie om positief geladen atomen (ionen genaamd) met hoge snelheid uit een stuwraket te schieten. Elk atoom geeft slechts een kleine stoot, maar samen kunnen ze de raket tot een veel grotere snelheid stuwen dan een conventionele chemische raket. Beter nog, de energie die nodig is om de ionenmotor te laten draaien, kan van zonnepanelen komen – er zijn geen zware brandstoftanks of generatoren aan boord nodig. Door meer snelheid uit minder stuwstof te persen, gaat ionenaandrijving een heel eind in de richting van het temmen van de raketvergelijking.
Maar ionenmotoren komen met nadelen van hun eigen. Hoe verder ze van de zon komen, hoe meer beperkt ze zijn door de hoeveelheid elektriciteit die hun zonnepanelen kunnen opwekken. Je kunt de panelen enorm groot maken, maar dan voeg je veel gewicht toe, en de raketvergelijking slaat weer toe. En ionenmotoren hebben zo’n geringe stuwkracht dat ze niet uit zichzelf de grond kunnen verlaten; in de ruimte kost het ze dan veel tijd om tot hun record-snelheden te versnellen. Brophy kent deze problemen goed: Hij hielp bij het ontwerpen van de ionenmotor aan boord van NASA’s Dawn-ruimteschip, dat zojuist een 11 jaar durende missie naar asteroïde Vesta en dwergplaneet Ceres heeft voltooid. Zelfs met zijn formidabele zonnecellen over een spanwijdte van 15 meter ging Dawn in vier dagen van nul naar 60.
Ion de prijs
Terwijl Brophy deze impasse tussen efficiënte motoren en onvoldoende zonne-energie overpeinsde, kwam het Breakthrough Starshot-concept uit, en dat bracht de tandwielen in zijn hoofd aan het draaien. Hij vroeg zich af: Wat als je zonneschijn zou vervangen door een laserstraal met hoge intensiteit die op je ruimteschip wordt gericht? Aangedreven door de efficiëntere laser, zou je ionenmotor veel harder kunnen draaien terwijl je nog steeds gewicht bespaart doordat je je krachtbron niet aan boord hoeft mee te nemen.
Twee jaar na zijn openbaring, geeft Brophy me een rondleiding door een SUV-grote testkamer bij JPL, waar hij een high-performance ionenmotor aan de tand voelt. Zijn prototype gebruikt lithium-ionen, die veel lichter zijn dan de xenon-ionen die Dawn gebruikte, en daarom minder energie nodig hebben om hogere snelheden te bereiken. Het werkt ook op 6.000 volt, vergeleken met de 1.000 volt van Dawn. “De prestaties van dit ding zouden zeer opzienbarend zijn als je de laser had om het aan te drijven,” zegt hij.
Er is slechts één klein probleem: Die laser bestaat niet. Hoewel hij het Starshot-concept drastisch heeft ingekrompen, ziet Brophy nog steeds een 100-megawatt lasersysteem in de ruimte voor zich, dat 1.000 keer meer vermogen genereert dan het internationale ruimtestation, precies gericht op een zich snel verwijderend ruimtevaartuig. “We weten niet zeker hoe we dat moeten doen,” geeft hij toe. Het zou verreweg het grootste technische project buiten de wereld zijn dat ooit is ondernomen. Maar als het eenmaal gebouwd is, zou de array steeds opnieuw gebruikt kunnen worden, voor verschillende missies, als een all-purpose rocket booster.
Als voorbeeld beschrijft Brophy een lithium-ion aangedreven ruimtevaartuig met 300-voet vleugels van fotovoltaïsche panelen die een full-size versie van de motor aandrijven die hij aan het ontwikkelen is bij JPL. De laser zou de panelen laten baden in licht dat honderd keer zo helder is als zonneschijn, en zo de ionenmotor draaiende houden van hier tot Pluto, ongeveer 4 miljard mijl ver weg. Het ruimteschip zou dan op zijn aanzienlijke snelheid kunnen voortbewegen, en elk jaar of elke twee jaar nog eens 4 miljard mijl kunnen afleggen.
In dat tempo zou een ruimteschip snel de schemerige gebieden kunnen verkennen waar kometen vandaan komen, of op weg kunnen gaan naar de nog niet ontdekte Planeet 9, of bijna overal heen kunnen gaan in de algemene omgeving van het zonnestelsel.
“Het is alsof we een glimmende nieuwe hamer hebben, dus ik ga rond op zoek naar nieuwe spijkers om erin te slaan,” zegt Brophy dromerig. “We hebben een hele lange lijst van missies die je zou kunnen doen als je snel zou kunnen gaan.”
Interstellar Medium Well
Na Brophy’s geniale vrolijkheid is het een schok om met Alkalai te praten, die de leiding heeft over het formuleren van nieuwe missies bij JPL’s Engineering and Science Directorate. Zittend in zijn grote, glazige kantoor, lijkt hij de no-nonsense beheerder, maar ook hij is een man met een verkennende visie.
Net als Brophy, denkt Alkalai dat de Breakthrough Starshot mensen de juiste visie hebben, maar niet genoeg geduld. “We zijn nog lang niet waar we technologisch moeten zijn om een missie naar een andere ster te ontwerpen,” zegt hij. “Dus moeten we beginnen met het nemen van babystapjes.”
Alkalai heeft een specifieke stap in gedachten. Hoewel we nog geen andere ster kunnen bezoeken, kunnen we wel een sonde sturen om het interstellaire medium te bemonsteren, het spaarzame gas en stof dat tussen de sterren stroomt.
“Ik ben erg geïnteresseerd in het begrijpen van het materiaal buiten het zonnestelsel. Uiteindelijk zijn wij daaruit ontstaan. Het leven is ontstaan uit die oerstofwolken,” zegt Alkalai. “We weten dat er organisch materiaal in zit, maar wat voor soort? In welke hoeveelheden? Zitten er watermoleculen in? Dat zou enorm zijn om te begrijpen.”
Het interstellaire medium blijft slecht begrepen omdat we het niet in handen kunnen krijgen: Een constante straal van deeltjes van de zon – de zonnewind – duwt het ver van de aarde. Maar als we voorbij de invloed van de zon zouden kunnen reiken, tot op een afstand van 20 miljard mijl (ongeveer 200 keer de afstand van de aarde tot de zon), zouden we eindelijk, voor de eerste keer, ongerepte monsters van ons melkwegstelsel kunnen onderzoeken.
Alkalai wil antwoorden, en hij wil de resultaten uit eerste hand zien. Hij is 60, dus dat betekent een agressief schema – geen tijd om te wachten op gigantische ruimte lasers. In plaats daarvan stelt hij een eenvoudiger, zij het nog onbewezen, technologie voor die bekend staat als een thermische raket op zonne-energie. Deze raket zou een grote voorraad koude vloeibare waterstof vervoeren, op een of andere manier beschermd tegen de hitte van de zon, en een schokkende duikvlucht uitvoeren tot op ongeveer 1 miljoen mijl van het zonneoppervlak. Bij de dichtste nadering zou de raket de intense zonnewarmte binnen laten stromen, misschien door een schild af te werpen. De zonne-energie zou de waterstof snel doen verdampen, waardoor het uit een raketmondstuk zou razen. Door de gecombineerde druk van de ontsnappende waterstof en de hulp van de zwaartekracht van de zon zou het schip zijn interstellaire reis kunnen beginnen met snelheden tot 60 mijl per seconde, sneller dan welk menselijk voorwerp dan ook tot nu toe – en het wordt alleen maar sneller vanaf daar.
“Het is erg uitdagend, maar we zijn nu de fysica aan het modelleren,” zegt Alkalai. Hij hoopt dit jaar te kunnen beginnen met het testen van elementen van een thermisch raketsysteem, en dan zijn concept te ontwikkelen tot een realistische missie die in de komende tien jaar of zo gelanceerd zou kunnen worden. Nog eens tien jaar later zou hij het interstellaire medium kunnen bereiken. Zo’n sonde zou niet alleen onze galactische omgeving kunnen bemonsteren, maar ook kunnen onderzoeken hoe de zon interageert met het interstellaire medium, de structuur van stof in het zonnestelsel kunnen bestuderen en misschien onderweg een verre dwergplaneet kunnen bezoeken.
Het zou een reis zijn, zegt Alkalai, “zoals we in het verleden nog nooit hebben gedaan.”
Catch A Glimpse
Solar thermische raketten en laser-ion motoren, hoe indrukwekkend ook, zijn nog steeds absurd ontoereikend om de enorme kloof tussen ons zonnestelsel en exoplaneten – planeten die rond andere sterren draaien – te overbruggen. In de geest van de Rocket Boys laat Turyshev zich niet tegenhouden door absurditeiten. Hij ontwikkelt een sluwe omweg: een virtuele missie naar een andere ster.
Turyshev vertelt me dat hij een ruimtetelescoop naar een gebied wil sturen dat bekend staat als de zwaartekrachtlens van de zon (SGL). Het gebied begint op een ontmoedigende 50 miljard mijl afstand, hoewel dat nog steeds honderden keren dichterbij is dan onze naaste buren met de sterren. Als je eenmaal ver genoeg in de SGL bent, gebeurt er iets wonderbaarlijks. Als je naar de zon kijkt, lijkt elk object dat zich direct achter de zon bevindt, uitgerekt, een ring vormend, en enorm uitvergroot. Die ring is het resultaat van de intense zwaartekracht van onze ster, die de ruimte als een lens vervormt en het licht van het verre object verandert.
Als je je op de juiste plaats in het SGL bevindt, kan het object dat van achter de zon wordt uitvergroot, een intrigerende exoplaneet zijn. Een ruimtetelescoop die in de SGL zweeft, legt Turyshev uit, kan dan rond manoeuvreren, verschillende delen van de lichtring bemonsteren en de stukjes gebogen licht reconstrueren tot megapixel snapshots van de planeet in kwestie.
Ik moet hem hier onderbreken. Zei hij megapixel, zoals de resolutie die je krijgt op je camera telefoon? Ja, hij heeft het echt over een beeld van 1.000 bij 1.000 pixels, goed genoeg om details te zien die kleiner zijn dan 10 mijl breed op een planeet tot 100 lichtjaar (600 biljoen mijl!) weg.
“We zouden onder de wolken kunnen gluren en continenten kunnen zien. We kunnen weerpatronen en topografie zien, wat erg opwindend is,” zegt Turyshev. Hij vermeldt het niet, maar dat is niet nodig: Dat soort resolutie zou ook megasteden of andere reusachtige kunstmatige structuren kunnen onthullen, mochten die bestaan.
Ervan uitgaande dat de JPL-jongens de transportproblemen kunnen oplossen om bij de SGL te komen, is de missie zelf tamelijk eenvoudig, zij het enorm uitdagend. Turyshev en zijn medewerkers (waaronder Alkalai) moeten een ruimtetelescoop ter grootte van de Hubble,
of een minivloot van kleinere telescopen, ontwikkelen die de reis van 30 jaar kan overleven. Ze moeten een kunstmatige intelligentie aan boord perfectioneren die in staat is om operaties uit te voeren zonder begeleiding van thuis. En bovenal hebben ze een doelwit nodig – een planeet die zo intrigerend is dat mensen bereid zijn om er tientallen jaren en miljarden dollars aan te besteden om hem te bestuderen. NASA’s TESS ruimtetelescoop doet op dit moment een deel van dat verkenningswerk, scant naar werelden ter grootte van de aarde rond lokale sterren.
“Uiteindelijk zullen we een bezoek moeten brengen om het leven op een exoplaneet te zien. Maar met een zwaartekrachtlensmissie kun je potentiële doelen tientallen jaren, zo niet eeuwen, eerder bestuderen,” zegt Turyshev vrolijk.
Een reis naar de SGL zou ons verder brengen dan de babystapjes van Alkalai en ons een heel eind op weg helpen naar interstellaire verkenning. Het is weer een gewaagd doel, maar de kans dat het vlam vat is deze keer in ieder geval veel kleiner.
Corey S. Powell, een redacteur van Discover, schrijft ook voor de Out There-blog van het tijdschrift. Volg hem op Twitter: @coreyspowell. Dit verhaal verscheen oorspronkelijk in druk als “Boldly Go.”
