Nu duurt een reisje naar Mars nog zo’n negen maanden. Maar wetenschappers denken in staat te zijn die reistijd behoorlijk terug te dringen..
Dat is te lezen in een peer-reviewed onderzoeksartikel dat als op Arxiv is verschenen en geaccepteerd is voor publicatie in het onderzoeksblad Acta Astronautica. In het artikel presenteren wetenschappers een nieuwe manier van ruimtereizen waarmee het mogelijk moet zijn om de reis naar Mars met maar liefst 7,5 maand in te korten.
Hoe werkt het?
Een sleutelrol is hierbij weggelegd voor een aantal grote en krachtige lasers die op het aardoppervlak zouden moeten verrijzen. Die lasers worden vervolgens gebruikt om brandstof aan boord van het ruimtevaartuig te verhitten en zo stuwkracht te creëren.
Lasers in plaats van een chemische reactie
“Raketten werken als volgt: ze gooien zo snel mogelijk massa uit het ruimtevaartuig,” zo legt onderzoeker Emmanuel Duplay aan Scientias.nl uit. Die massa bestaat uit hete gassen: door hete gassen met hoge snelheid naar achter uit te werpen, krijgt de raket impuls naar voren. Die hete gassen kunnen op verschillende manieren worden gegenereerd, maar de meeste raketten maken gebruik van een chemische reactie, waarbij een brandstof (bijvoorbeeld raketkerosine) met een oxidatiemiddel (bijvoorbeeld zuurstof) reageert. Het resultaat is een soort gecontroleerde explosie, waarbij hete gassen ontstaan die met hoge snelheid uit de raket worden geduwd en de raket daarbij omhoog of vooruit stuwen.
Duplay en collega’s gooien het echter over een andere boeg: ze stellen voor om stuwkracht te genereren met behulp van lasers. Hierbij zou een ruimtevaartuig zich allereerst in een baan om de aarde moeten nestelen, waarna krachtige lasers gebruikt worden om de stuwstof of propellant (bijvoorbeeld waterstof) aan boord van het ruimtevaartuig te verhitten en zo hete gassen te genereren die het ruimtevaartuig in zeer korte tijd naar Mars stuwen. De aanpak heeft twee grote voordelen ten opzichte van de conventionele (chemische) raketaandrijving, zo vertelt Duplay. “Allereerst zijn we voor verhitting van de stuwstof niet afhankelijk van een chemische reactie en dat betekent dat we de brandstof tot veel hogere temperaturen kunnen opwarmen en zo de brandstofefficiëntie kunnen verhogen. Daarnaast bevinden de lasers zich op de aarde, wat betekent dat niet alle massa die nodig is om de benodigde stuwkracht te genereren zich aan boord bevindt. En die twee voordelen stellen ons ruimtevaartuig in staat om veel sneller te reizen dan met een conventionele raket – uitgerust met dezelfde hoeveelheid stuwstof – mogelijk zou zijn.”
45 dagen
Een rekensommetje wijst uit dat het op deze manier in theorie zelfs mogelijk zou moeten zijn om een sonde in 45 dagen tijd naar Mars te laten reizen. Het vereist voor een onbemande en relatief lichte ruimtesonde wel dat er meerdere lasers met een gezamenlijk vermogen van zo’n 100 MW gebouwd worden. En nog krachtigere lasers zijn nodig om astronauten in 45 dagen naar Mars te krijgen. “We geloven dat het haalbaar is,” stelt Duplay. “Maar dan moet je de laserkracht wel met een factor 40 opschalen.”
Belangrijk
Dat kan echter zeer de moeite waard zijn. Want de lange reistijd naar Mars gaat mensen ongetwijfeld zwaar vallen. Niet alleen mentaal, maar ook fysiek. “Astronauten in de interplanetaire ruimte zouden aan significant meer kosmische straling worden blootgesteld dan we hier op aarde of op Mars zelf te verduren krijgen. En aangezien een langdurige blootstelling aan deze straling de kans op kanker vergroot, zou het goed zijn als we de tijd die nodig is om van de ene naar de andere planeet te reizen, kunnen verkorten.”
Uitdagingen
In 45 dagen naar Mars: het klinkt bijna te mooi om waar te zijn. En Duplay moet erkennen dat er ook nog wel wat hobbels te nemen zijn voor het zover is. “Eén van de grootere uitdagingen is hoe we omgaan met dat waterstofgas dat door onze lasers tot een temperatuur van 10.000 Kelvin wordt opgewarmd. Hoe kunnen we een motor bouwen die die temperaturen aankan en niet weg smelt? In onze studie hebben we daar wel een zo op het oog haalbare oplossing voor bedacht, maar die voorgestelde raketmotor is wel radicaal anders dan de raketmotoren die momenteel operationeel zijn en vereist de nieuwste van de nieuwste materialen en koeltechnieken.” En dan is er ook nog die verzameling ongeëvenaard krachtige lasers. De onderliggende technologie is er al wel, zo stelt Duplay. “Maar er moet nog wel wat werk verzet worden voor we lasers ook op deze manier kunnen gaan inzetten.”
Het is zeker niet voor het eerst dat onderzoekers voorstellen om lasers te gebruiken om ruimtevaartuigen in beweging te brengen. Zo stelden wetenschappers jaren geleden al voor om een piepkleine ruimtesonde – een nanosonde – te bouwen en te bevestigen aan een enorm lichtzeil en dat geheel vervolgens met behulp van lasers op grote snelheid te brengen en koers te laten zetten naar het dichtstbijzijnde stersysteem. We hebben het dan over Alpha Centauri, op zo’n 4 lichtjaar afstand van de aarde. Met behulp van lasers zou de kleine sonde een zeer hoge snelheid moeten kunnen bereiken en in ‘slechts’ 20 jaar tijd naar Alpha Centauri kunnen vliegen. Ter vergelijking: met conventionele raketten zou het al snel enkele tienduizenden jaren duren om het stersysteem te bereiken.
Landing
Hoewel een 45 dagen durende reis naar Mars natuurlijk een stuk aantrekkelijker klinkt dan de 270 dagen die we er met conventionele raketten voor uit moeten trekken, heeft zo’n door lasers op gang gebracht ruimtevaartuig ook een keerzijde. Het kan namelijk lastig remmen. “Het ruimtevaartuig nadert Mars ongeveer net zo snel als het de aarde verlaten heeft, dus het kan geen conventionele raketten gebruiken om zichzelf te vertragen. En aangezien er geen lasers zijn op Mars, kunnen die ook niet ingezet worden om het ruimtevaartuig af te remmen. Het betekent dat er maar één optie overblijft: aerobraking. Hierbij wordt de weerstand die het ruimtevaartuig in de Martiaanse atmosfeer ondervindt, gebruikt om het ruimtevaartuig af te remmen. Het is geen plezierige manoeuvre; volgens onze studie zou een astronaut in het ruimtevaartuig gedurende enkele minuten het gevoel hebben dat hij of zij acht keer meer weegt dan in werkelijkheid het geval is.”
Of toekomstige Marsreizigers zich daadwerkelijk op zo’n ervaring voor moeten gaan bereiden, is nog even afwachten. “Om de randen van ons zonnestelsel te verkennen zijn – zeker als we dat middels bemande missies willen doen – nieuwe aandrijvingstechnologieën nodig,” aldus Duplay. “Er zijn echter verschillende kandidaten in de race.” Zo wordt er naast aandrijving met behulp van lasers ook nagedacht over nucleaire voortstuwing. “Elke aanpak heeft voor- en nadelen. En welke het uiteindelijk gaat worden, zal denk ik toch afhangen van wat we het meest acceptabele scenario vinden: ongeëvenaard grote lasers bouwen op het aardoppervlak of een kernreactor op een draagraket vastsnoeren?”
