Als de mensheid ooit naar verre sterren reist, zouden we daarheen kunnen zeilen, en dat zou wel eens sneller kunnen zijn dan je denkt. Sommige van de oudste schepen van de mensheid maakten gebruik van zeilen om de kracht van de wind te benutten, dus het lijkt onvermijdelijk dat we in de ruimte iets soortgelijks zouden doen. Maar in plaats van de wind te gebruiken voor voortstuwing, ontwikkelen wetenschappers manieren om licht te benutten.
Het resultaat? Zonnezeilen: enorme, maar dunne vellen van speciaal materiaal, ontworpen om de druk van fotonen te benutten en ruimteschepen door de kosmos voort te stuwen. Tot nu toe zijn er slechts een handvol proof-of-concept-vluchten (waaronder een vlucht naar Venus), experimenten en simulaties in laboratoria over de hele wereld, en enkele zeer ambitieuze missieconcepten geweest. Maar uit een recent onderzoek door ingenieur Debdut Sengupta van het Imperial College London en zijn collega's blijkt dat zonnezeilen ruimteschepen binnen de komende 10 tot 20 jaar naar de rand van ons zonnestelsel zouden kunnen brengen.
Van sciencefiction naar realiteit in de ruimtevaart
Voor de weinige zonnezeilen die tot nu toe hebben gevlogen, hebben ingenieurs in laboratoria over de hele wereld lichtgewicht gieken ontwikkeld om de zeilmembranen stabiel te houden, hittebestendigere zeilmaterialen ontworpen en gewerkt aan het verfijnen van betere algemene zeilontwerpen. Missies zoals Lightsail 2 van The Planetary Society (gelanceerd in 2019) en het Japanse Ikaros-zonnezeil (dat in 2010 naar Venus vloog) hebben aangetoond dat de basisprincipes van voortstuwing door middel van een lichtzeil kunnen werken. Maar het is al zeven jaar geleden sinds de lancering van Lightsail 2, en NASA's laatste testvlucht van een geavanceerd zonnezeilontwerp kampte met problemen bij het ontvouwen en eindigde met een tuimeling in de ruimte. Voldoet de huidige state-of-the-art lichtzeiltechnologie aan ambitieuze missieconcepten om een schip met zonnezeilen voorbij de rand van ons zonnestelsel te sturen?
Om die vraag te beantwoorden, zijn Sengupta en zijn collega's uitgegaan van drie voorgestelde lichtzeilmissies (Breakthrough Starshot, Project Svarog en Solar Cruiser) en hebben ze vervolgens de gereedheid beoordeeld van alle technologische onderdelen die elke missie zou vereisen, van de gigantische laser van Breakthrough Starshot tot het houdingscontrolesysteem van Solar Cruiser. Breakthrough Starshot, een ambitieus project dat voor het eerst in 2016 werd aangekondigd, is waarschijnlijk het meest besproken en meest ambitieuze lichtzeilproject dat tot nu toe is voorgesteld (het is een lichtzeil in plaats van een zonnezeil, omdat het zou voortbewegen op fotonen van een laser van 200 gigawatt, en niet op zonlicht). Oorspronkelijk was het de bedoeling om een vloot van minuscule nanoschepen naar Proxima Centauri te sturen, maar het project ligt sinds eind 2025 stil en de financiering is bevroren. Maar met name Svarog en Solar Cruiser zijn goede voorbeelden van de twee meest waarschijnlijke soorten zonnezeil-missies.
Svarog, een door studenten geleid project aan het Imperial College London, hoopt een sonde met een zonnezeil naar de heliopauze te sturen, een gebied op 14,5 miljard kilometer van de zon waar de zonnewind in botsing komt met het interstellaire medium. In plaats van gigantische lasers te gebruiken om de zeilen met fotonen te vullen, is Svarog van plan om te doen wat ‘sun-diving’ wordt genoemd: dicht bij de zon duiken, waar de straling het intensiefst is, om een enorme snelheidsboost te krijgen, en vervolgens als een katapult naar de heliopauze te schieten. Het team heeft eind 2024 een testzeil gelanceerd vanaf een ballon op grote hoogte; Sengupta beschrijft dit als een “gedeeltelijk succes.”
En Solar Cruiser, een project van het Marshall Space Flight Center van de NASA in Huntsville, Alabama, zou de zon hebben bestudeerd vanuit een uitkijkpunt nabij het L1-Lagrangepunt, waarbij het zijn 40 meter brede zeil zou gebruiken om zich in positie te houden tegen de aantrekkingskracht van de zon in (stel je een zeilschip hier op aarde voor, dat de snelheid van zijn zeilen gebruikt om tegen de stroming en de druk van de golven in te sturen). NASA heeft het project in 2023 stopgezet, maar onderzoekt nog steeds enkele vergelijkbare concepten. Sengupta en zijn collega’s ontdekten dat de moderne, geavanceerde technologie nog steeds achterblijft bij wat er nodig is om bepaalde voorgestelde zonneseilmissies uit te voeren, vooral als het gaat om het voorkomen van oververhitting van het zeil onder de stortvloed van fotonen van de zon (of de gigantische laser), het bieden van een lichte maar sterke ondersteuningsstructuur voor zeilen van tientallen meters breed, een structuur die niet verdraait of doorbuigt, en het in de ruimte in gebruik nemen van het geheel. Maar na te hebben onderzocht hoeveel inspanning er nodig zou zijn om die kloof te dichten, zeggen Sengupta en zijn collega's dat sommige van deze missies dichter bij de realiteit liggen dan je zou verwachten. En andere experts met wie Space.com sprak, zijn het daar grotendeels mee eens.
De ideale speelplaats voor zonnezeilen
Volgens het onderzoek van Sengupta zouden er ergens in de komende vijf tot tien jaar lichtgewicht ruimtevaartuigen door de stralend verlichte binnenste regionen van ons zonnestelsel kunnen varen om de zon zelf te bestuderen. Of het doel nu is om in een baan om de zon te draaien, zoals NASA's Parker Solar Probe, of om een vaste positie tussen de aarde en de zon in te nemen, dit soort missies zou profiteren van een van de belangrijkste voordelen van zonnezeilen: door alleen de druk van fotonen op het zeil te gebruiken, zou een ruimtevaartuig met een zonnezeil kunnen manoeuvreren, bijvoorbeeld door zichzelf in een anders onstabiele baan te houden of zijn traject te wijzigen, zonder dat er stuwraketten of brandstof nodig zijn.
“Een missie die echt gebruik zou maken van de voordelen van een zonnezeil, zou een waarschuwingsmissie voor zonnestormen zijn,” vertelde Bruce Betts, hoofdwetenschapper en LightSail-programmamanager bij The Planetary Society, aan Space.com. “Het zou de constante lichtdruk van de zon gebruiken om een anders onstabiele baan direct tussen de aarde en de zon te handhaven, en dichterbij de zon dan anders mogelijk zou zijn. Dat zou zorgen voor betere waarschuwingen en meer details over zonnestormen die op weg zijn naar de aarde.” Dat komt overeen met het idee achter de Solar Cruiser en andere missieconcepten. Artur Davoyan, ruimtevaartingenieur aan de Universiteit van Californië in Los Angeles, voegde hieraan toe dat zonneseilen die vlak langs de zon glijden, ons in staat zouden kunnen stellen een ruimtevaartuig in een baan om de polen van de zon te brengen, om zo onze naaste ster te bestuderen vanuit een hoek die anders onmogelijk zou zijn. Om een ruimtevaartuig in een polaire baan rond de zon te brengen, zou meer stuwstof nodig zijn dan een raket tegenwoordig kan vervoeren, voegde hij eraan toe.
En volgens Sengupta en zijn collega’s zijn missies zoals de Solar Cruiser of het hypothetische ruimteweerstation van Betts tegenwoordig technologisch haalbaar. “Ik denk dat Solar Cruiser zeker gelanceerd had kunnen worden als [enkele] kleine problemen waren opgelost,” zei Sengupta. De problemen in kwestie hadden te maken met reactiewielen: elektromotoren die aan vliegwielen zijn bevestigd en helpen om het ruimtevaartuig correct georiënteerd te houden. Reactiewielen, inclusief het specifieke model dat voor Solar Cruiser was gekozen, worden op allerlei soorten ruimtevaartuigen gebruikt, maar de complexe dynamica van een zonnezeil vormde een andere uitdaging.
Toch is het laten functioneren van een in de praktijk geteste set reactiewielen in een nieuwe situatie een bijna alledaags probleem in vergelijking met de uitdagingen waarmee missies met zonnezeilen naar verder weg gelegen bestemmingen worden geconfronteerd, missies die tien jaar of meer onderzoek vereisen om de juiste materialen te ontwikkelen. Een heliofysische missie ergens rond L1 (een gravitationeel stabiel punt op ongeveer 1,6 miljoen kilometer van de aarde), onder zeil, is volgens Sengupta en zijn collega's vandaag de dag technisch mogelijk. “Voor iets als de Solar Cruiser is het zeil zelf al aanwezig; het is slechts een kwestie van de meer alledaagse aspecten van de techniek van ruimtemissies uitwerken,” zei Sengupta. Die alledaagse aspecten omvatten houdingscontrole, energievoorziening en communicatie, die Sengupta beschrijft als “problemen waarmee je pas te maken krijgt als je aan het gedetailleerde ontwerp begint.”
Volgens Sengupta en zijn collega’s maakt die combinatie van factoren dat heliofysische missies zoals Solar Cruiser een logische volgende stap vormen na de zonneseilmissies die we al hebben gezien, waaronder de Ikaros-missie van het Japanse ruimteagentschap JAXA, die eind 2010 haar zeil van 14 vierkante meter ontvouwde om langs Venus te vliegen. “Dat zou een zeer goede springplank zijn”, aldus Sengupta. “Met [een missie als] Solar Cruiser kunnen we in wezen veel van de grote problemen testen die we met zonnezeilen hebben, zoals bijvoorbeeld de ontplooiingssystemen en de houdingscontrole.” Maar het sturen van ruimtevaartuigen met zonnezeilen naar de zon zou ook een springplank kunnen zijn naar andere missies die verder weg gaan, en daar komen door zich nog dichter bij de zon te wagen.
Extreem zonnezeilen
Missies zoals Svarog en een nieuw concept met meerdere zeilen, genaamd SunVane, hebben verschillende bestemmingen en wetenschappelijke doelstellingen, maar volgen een vergelijkbare vliegroute: ze zijn bedoeld om in de richting van de zon te duiken om snelheid te winnen, en vervolgens door te zeilen naar het buitenste zonnestelsel (of verder). In zijn lab werkten Davoyan en zijn collega's aan een concept dat ze ‘extreem zonnezeilen’ noemden, waarbij ze op slechts 3,5 tot 7 miljoen km boven het oppervlak van de zon zouden scheren (tussen 5 en 10 keer de straal van de zon). Dat is een waanzinnige ruimtevlucht, waarbij men technisch gezien door de buitenste laag van de zon vliegt; ter vergelijking: de Parker Solar Probe van de NASA kwam tot op iets meer dan 3,7 miljoen mijl (6 miljoen km) in de buurt. Zo dichtbij duiken zou zijn alsof je door een huilende storm van fotonen vaart, waardoor het ruimtevaartuig een krachtige snelheidsboost krijgt, die het zou gebruiken om naar buiten te slingeren, deels aangedreven door de zwaartekracht, maar vooral door het zonlicht op zijn zeil.
Een door een zeil aangedreven ruimtevaartuig dat zo’n gewaagde duik naar de zon zou maken en dat zou overleven, zou in recordtijd de buitenplaneten, de heliopauze of zelfs het brandpunt van de zonnelens bereiken, waar het (in theorie) de zwaartekracht van de zon als een gigantisch vergrootglas zou kunnen gebruiken om exoplaneten te bestuderen. Davoyan en zijn collega's berekenen dat een dergelijke missie zou kunnen versnellen tot een snelheid van ongeveer 50 AU (astronomische eenheden; de afstand van de aarde tot de zon) per jaar, vergeleken met de meer gematigde 3,6 AU per jaar van Voyager 1. Eén AU is ongeveer 93 miljoen mijl, of 149 miljoen km. “Dus in feite passeer je Neptunus in minder dan een jaar”, zegt Davoyan. “In drie jaar haal je Voyager 1 in, in feite. Dat is dus de snelheid die we hopen te halen.”
Dat is de afweging bij een slingshot-missie waarbij je in de zon duikt: hoe sneller je wilt gaan, hoe dichter bij de zon je moet duiken. En hier wordt de oude fabel van Icarus griezelig relevant voor de moderne ruimtevaart, omdat je ook moet voorkomen dat het zeil oververhit raakt terwijl je langs de buitenrand van de zon scheert. Een zonnezeil moet het grootste deel van het licht dat erop valt aan de ene kant weerkaatsen, en de rest als warmte afgeven aan de diepe kou van de ruimte aan de andere kant. Het bedenken van materialen die dat kunnen, is eigenlijk het makkelijke deel; ze omzetten in de microscopisch dunne film van een zonnezeil is de echte uitdaging. De Parker Solar Probe heeft bijvoorbeeld een hitteschild dat op zo’n 6 miljoen kilometer van de zon prima zijn werk doet, maar het is ook wel 10 centimeter dik, veel te dik voor een zonnezeil, waarvan de dikte in miljoenste van een meter, oftewel microns, moet worden gemeten.
“Die luxe hebben we niet, dus we willen iets maken dat 2,5 of 3 micron dik is”, aldus Davoyan. Zijn lab werkt aan hittebestendige materialen zoals siliciumnitride en titaniumnitride, met als doel een zeil te ontwikkelen dat lang genoeg temperaturen van rond de 1.000 graden Celsius (dat is 1.832 graden Fahrenheit) kan weerstaan om een duik naar de zon te maken. Op dit moment zijn hun beste materialen bestand tegen de hitte binnen ongeveer een halve AU van de zon, ergens tussen de baan van Mercurius en Venus. Dat is niet genoeg voor het soort missies dat hij voor ogen heeft, of voor iets als het Svarog-project van Sengupta en zijn collega's.
Maar de afweging werkt twee kanten op. Als je genoegen neemt met minder snelheid, kun je een missie ontwerpen met minder extreme duiken naar de zon. Op basis van Davoyans simulaties zou het passeren van een voorzichtiger afstand van 20 tot 25 zonnestralen (14 miljoen tot 19 miljoen km) van het oppervlak van de zon je een topsnelheid opleveren van ergens tussen de 5 en 8 AE per jaar: nog steeds iets sneller dan Voyager 1. En de hitte is een stuk makkelijker te beheersen.
“Ik denk dat dit soort missies binnen vijf jaar vanaf nu kunnen worden gerealiseerd, mits er voldoende ontwikkelingsgeld beschikbaar is. En dan kun je over ongeveer tien jaar misschien nog extremere missies uitvoeren, waarbij je dichter bij de zon komt en nog sneller reist,” aldus Davoyan. “Als je iets verder weg wilt, bijvoorbeeld op zo'n 30 zonnestralen afstand van het oppervlak van de zon, dan denk ik dat de technologieën daar min of meer klaar voor zijn.” Ondertussen zegt Sengupta dat een missie als Project Svarog in de komende 10 tot 20 jaar gelanceerd zou moeten kunnen worden, wat goed aansluit bij de schattingen van Davoyan.
De zeilen ontvouwen
Warmtebeheer is niet de enige uitdaging voor langeafstandsmissies met zonnezeilen. Zonnezeilen voor deze missies moeten niet alleen sterk genoeg zijn om een ontmoeting met de zon te overleven, maar ook groot genoeg om zo ver mogelijk weg fotonen te blijven vangen. Dat betekent dat je zo'n groot zeil in een relatief kleine draagraket moet kunnen proppen, en dat je een giek of ander ondersteunend frame nodig hebt dat het zeil open en strak houdt, zodat het door de druk van de fotonen wordt voortgestuwd in plaats van alleen maar te wapperen. Dat wordt steeds uitdagender naarmate het zeil groter is (en de giek langer). “Hoewel het niet helemaal hetzelfde is, stel je eens voor hoe moeilijk het is om een meetlint over een grote afstand uit te rollen zonder dat het buigt of in elkaar zakt,” zei Betts.
Stel je voor dat het hypothetische meetlint van Betts zo’n 100 meter lang zou zijn: de lengte van de gieken die nodig zijn om enkele van de grootste voorgestelde zonnezeilen te ondersteunen, vlakken van 10.000 vierkante meter aan hightech membraan. Hier op aarde zou de giek kromtrekken of doorbuigen door de zwaartekracht of de wind, maar in de ruimte zijn de oorzaken kleine verschillen in temperatuur of stralingsdruk, of zelfs kleine onvolkomenheden in het zeil zelf, waardoor er over de hele lengte van de giek verschillende krachten op worden uitgeoefend. Ingenieurs moeten dus gieken ontwerpen die zo licht mogelijk zijn, maar ook sterk genoeg om tijdens de vlucht niet te verdraaien. Bovendien moet het geheel uit een relatief compact ruimtevaartuig kunnen worden uitgevouwen en zo licht mogelijk zijn. Deze uitdagingen zijn de reden waarom zonnezeilen nog niet door de uitgestrekte ruimte varen. (Tenminste, niet hier. We kunnen niet instaan voor wat er zich in verre, buitenaardse sterrenstelsels afspeelt, omdat ze niet met ons praten.)
“Een van de grootste technologische hindernissen bij het ontwikkelen van missies over langere afstanden met grotere zeilen is het succesvol ontvouwen van grote constructies in de ruimte,” zei Betts. “Elke ontvouwing in de ruimte is lastig, maar het ontvouwen van grote constructies die bovendien een zeer lage massa moeten hebben, is een hele uitdaging.” “Hoe groter de constructie, hoe groter de uitdaging,” voegde hij eraan toe. Elke ruimtemissie streeft ernaar de massa zo laag mogelijk te houden, omdat massa brandstof kost, en dus geld, om de ruimte in te lanceren. Maar zonnezeilen hebben strengere “massabudgetten” dan normaal, omdat ze alleen relatief lichte objecten kunnen voortstuwen tot de snelheden die Davoyan en anderen hopen te bereiken. “Het is de versnelling die telt, en versnelling is, zoals we op school hebben geleerd, gewoon kracht gedeeld door massa, toch?” zei Davoyan. “Dus ik wil de massa minimaliseren en tegelijkertijd het oppervlak van mijn zeil zo groot mogelijk houden.”
Die noodzaak legt niet alleen beperkingen op aan het ontwerp van het zeil en de steunen, maar ook aan alle andere onderdelen van het ruimtevaartuig: energiebronnen, instrumenten en communicatiesystemen. Software-ingenieur en natuurkundige Viktor Toth, sinds kort lid van het Solar Gravitational Lens-team van NASA, betwijfelt of het mogelijk is om genoeg apparatuur in een ruimtevaartuig te proppen om een langeafstandsmissie naar de verre ruimte te kunnen uitvoeren; Toth en zijn team overwogen een versie van de zonnelensmissie waarbij zonnezeilen zouden worden gebruikt om een punt voorbij 600 AE te bereiken. “Ruimtemissies zijn meedogenloos, omdat je kernenergie nodig hebt voor elektriciteit aan boord en je fysiek grote communicatieapparatuur nodig hebt,” vertelde Toth aan Space.com. “Zelfs als je de wetenschap buiten beschouwing laat, alleen al het communiceren met het ruimtevaartuig en het van stroom voorzien ervan... de kleine laadcapaciteit sluit het gebruik van kernenergie aan boord vrijwel uit en maakt het gebruik van grote antennes of grote optische apparatuur voor echte communicatie in de verre ruimte onmogelijk.”
Davoyan is het daar niet mee eens en noemt alternatieven zoals ultralichte, uitklapbare antennes. “Het is geen knelpunt”, aldus Davoyan. “Dit zijn uitdagingen die kunnen worden opgelost.” Toth is daarentegen optimistischer over zonnezeilen dichter bij huis, relatief gezien, vooral als zonnecellen in het zeildoek zelf kunnen worden geïntegreerd. Als dat lukt, ziet Toth zonnezeilen als een haalbare manier om naar plaatsen als Jupiter te vliegen, waarbij voldoende versnelling wordt verkregen uit vrij rustige duiken in de zon om de reistijd te verkorten voor de opvolgers van deep-space missies naar de buitenplaneten, zoals de Europese JUICE-missie naar de ijzige manen van Jupiter, die in 2023 van start ging en pas in 2031 haar bestemming zal bereiken.
Op weg naar de toekomst
Wat is dan de algemene prognose voor zonnezeilen? “Ik denk dat dit geen vergezochte ideeën zijn; het zijn niet echt futuristische ideeën waar we het over hebben,” zei Davoyan. “Het is geen enorme sprong van het ene naar het andere, dus er is een geleidelijke overgang van het ene naar het andere die haalbaar is, en dat kan binnen een redelijke termijn worden gerealiseerd.” Sengupta voorziet ondertussen een niet al te verre toekomst waarin zonnezeilen hun waarde hebben bewezen bij missies op het gebied van heliofysica, en technologische ontwikkelingen het duiken in de zon en lange (maar snelle!) interplanetaire reizen haalbaarder maken. Veel van die toekomst hangt natuurlijk af van factoren zoals financiering en de prioriteiten van ruimtevaartorganisaties, die moeilijker in vergelijkingen te vatten zijn, maar vaak bepalend zijn voor het lot van missies of zelfs hele programma's. Dat is een van de redenen waarom Sengupta denkt dat de heliofysica-missies waarschijnlijk als eerste aan de beurt zullen zijn.
“Misschien moeten we ons richten op kortetermijnmissies die impact hebben op de aarde, in plaats van alleen maar verkenning,” zei hij. “Zodra bewezen is dat zonnezeilen functioneel en effectief zijn in dit soort banen, vooral op een schaal waarbij je grote zeilen hebt, denk ik dat dat er echt toe kan bijdragen dat zonnezeilen een standaardonderdeel worden van de toolkit van ruimtevaartontwerpers, wat betreft voortstuwing.”
Bron: Space.com
