Ruimte voor de zeilvaart

In de ruimte kan prima worden gezeild, niet op de wind maar op het zonlicht. En inmiddels komen voor ruimtezeilen geschikte materialen beschikbaar. De raket krijgt concurrentie van het zeilschip.

Het zeiltochtje op 400 kilometer hoogte van het ruimtevaartuig Cosmos 1 gaat voorlopig niet door. Bij proeven vorige week in Moermansk maakte het apparaat al aanstalten om zijn twee zeilen te hijsen, en dat was toch echt een weekje te vroeg. De lancering werd afgeblazen en Cosmos 1 ging terug naar de thuishaven, het Babakin-ruimtevaartcentrum bij Moskou.

De Planetary Society, de Amerikaanse vereniging van ruimtevaartgelovigen die het ruimteschip bestelde, blijft optimistisch: in juni komt er een nieuwe poging met twee zeilen en eind dit jaar moet het vaartuig voor het eerst langere tijd in een baan om de aarde blijven, uitgerust met alle acht zeilen. En zoals het stoomschip ooit de clippers van de wereldzeeën verjoeg, zo zal het zeilschip een einde maken aan het ouderwetse gebruik van raketten voor het verkeer tussen de planeten.

Theoretisch heeft de ruimtezeilvaart alles mee. Net als op aarde is de aandrijfkracht gratis beschikbaar in de vorm van het licht van de zon, want dat is de 'wind' waarvan een ruimtezeilschip het moet hebben. En in tegenstelling tot de wind blaast het licht van de zon altijd met dezelfde kracht tegen het zeil. Al in de jaren twintig van de vorige eeuw bedachten Russische natuurkundigen dat je met behulp van de zon veel voordeliger door de ruimte zou kunnen reizen dan met raketten. Immers, om een ruimteschip van de aarde los te laten komen, gooit een raket een grote hoeveelheid brandstof naar achteren, in de vorm van hete verbrandingsgassen. Maar alle brandstof die niet in de eerste seconde van de start verbrandt, moet mee omhoog getild worden, en om dat te doen heb je in die eerste seconden nog meer brandstof nodig, waarvan een deel ook weer mee omhoog moet, enzovoort: voor een echt verre reis exploderen de kosten per kilo nuttige lading al op de tekentafel.

Nee, dan een zonnezeil. Als Cosmos eenmaal in de ruimte is, zorgen kleine raketjes ervoor dat hij snel om zijn as gaat draaien. Dat slingert de acht zeilen in de rondte, zodat ze netjes uitvouwen. Daarna wordt een raamwerk van opblaasbare buizen volgepompt, zodat de zeilen strak blijven als Cosmos I zich als een tientallen meters grote zonnebloem naar het licht keert.

En dan maar varen. Een zonnezeil is van ragdun plastic, bedekt met een nog dunnere metaalfolie, die het zonlicht weerkaatst. Elk brokje zonne-energie, elk foton, dat door het zeil van richting wordt veranderd, zorgt voor een tegenkracht op het zeil, zoals een racket een klap krijgt van de tennisbal. De acht zeilen van Cosmos I zijn bij te stellen, om de lichtkracht kracht van richting te veranderen. De piloot op aarde kan kiezen: als Cosmos I 'voor de wind' vaart, neemt zijn snelheid toe en komt hij hoger in zijn baan, verder van de aarde. Remmen de zeilen hem af, dan valt hij wat dichter naar de aarde toe.

De kracht die de zon op de zeilen uitoefent is maar klein, maar laat niet af. En er is niets wat een ruimteschip vanzelf afremt, dus op de lange duur kan het zo toch een enorme snelheid ontwikkelen. Pas in de buurt van Jupiter is het zonlicht zo zwak dat zeilen niet zo praktisch meer is. Maar daar is al iets op bedacht: een ruimtestation bij de aarde kan met grote collectoren energie uit het zonlicht halen en die als een geconcentreerde laserstraal op het zeilschip afvuren. Op die manier kunnen ook de buitenste planeten van het zonnestelsel, en wie weet andere sterren, bereikt worden. Dat is in ieder geval de droom van de Planetary Society, ooit opgericht door wijlen Carl Sagan: de mensheid bevrijden uit de zwaartekrachtval die de aarde in feite is.

Grote zeilen, grote zonnecollectoren: wie zonder raketbrandstof de ruimte wil veroveren kan het niet klein aanpakken. Maar eerst moeten al die spullen de ruimte in en dat zal toch met raketten moeten. Ideaal is daarom de combinatie groot en licht. IJle ruimtevaartuigen moeten we hebben, dacht ook de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa, en maakte er een paar jaar geleden een officieel project van: Gossamer Spacecraft.

Onder die noemer is sindsdien al een heleboel bedacht, door onderzoekers die in het kader van het programma geld hopen los te krijgen voor ontwerpwerk en wie weet een prototype. Zonnezeilen en zonnecollectoren zijn mooi, maar zouden we ook geen radar-antenne kunnen maken van een kilometer doorsnee? Hoe groter zo'n antenne, hoe nauwkeuriger de radar op afstand details kan onderscheiden, ook op planeten aan de buitenkant van het zonnestelsel.

Trouwens, in die buurt hebben we nu al ruimtevaartuigen rondvliegen, zoals Galileo (bij Jupiter) en Cassini (op weg naar Saturnus). De gegevensstroom naar en vooral van zulke verkenners zou veel sneller verlopen wanneer aan een of beide kanten de antenne echt groot was.

Een van de meest concrete projecten tot nu toe is, naast Cosmos I, het observatorium ARISE, dat in 2008 het luchtruim zou moeten kiezen. ARISE is een schotelvormige radio-antenne met een doorsnee van 25 meter. Samen met radio-antennes op aarde, van het soort dat ook in Nederland (Westerbork) staat, gaat die antenne zwarte gaten bestuderen zoals die gevonden worden in de kernen van melkwegstelsels. Die zware en zeer compacte objecten speelden waarschijnlijk een sleutelrol bij het ontstaan van melkwegstelsels. ARISE en aardse telescopen samen zullen veel gedetailleerder kunnen zien hoe zwarte gaten gas opslokken uit hun melkwegstelsel en wat daar precies mee gebeurt voor het verdwijnt.

Om de kosten in de hand te houden (en bijvoorbeeld de lancering met een goedkope Delta II raket te kunnen uitvoeren in plaats van met een dure Atlas) is de schotel uitvouwbaar en opblaasbaar gemaakt: een buizenframe loopt vol met gas om de schotel de goede paraboolvorm te geven. Staat de schotel eenmaal, dan is er maar weinig druk in de buizen nodig om die vorm vast te houden: 0,0001 atmosfeer.

De Nasa definieert een onderdeel voor een ruimtevaartuig als gossamer oftewel 'ijl' als het minder weegt dan een kilo per vierkante meter. Voor zonnezeilen is de eis nog hoger: uiteindelijk zal het gewicht daarvan niet meer dan een gram per vierkante meter mogen bedragen. En dan moet het 'zeildoek' ook nog bestand zijn tegen het ultraviolette deel van het zonlicht, dat op aarde zorgt voor bruine mensenhuiden en huidkanker, maar ook voor uit elkaar vallend plastic. En het zeildoek moet tegen het deeltjesbombardement kunnen dat de zon ook uitzendt. En tegen stevige wisselingen in temperatuur. En dat alles tien jaar lang. Geen wonder dat de vorige keer dat Nasa een programma voor 'groot en licht' probeerde op te zetten, in de jaren zeventig, het idee uiteindelijk als onuitvoerbaar op de plank werd gelegd. Maar de nieuwe materialen die de afgelopen twintig jaar zijn ontwikkeld, wekken het concept weer tot leven.

Origami helpt vouwen

Wie werkt aan een 'ijl' onderdeel van een ruimteschip, heeft meer problemen dan alleen zorgen dat het zeil of de antenne mooi strak aan het ruimteschip hangt. Dat onderdeel gaat eerst met een raket mee omhoog en zal zijn reis dus als een klein pakketje moeten beginnen. Om dat probleem op te lossen zochten Roderick Hyde en Sham Dixit van het Lawrence Livermore National Laboratory in de VS hulp bij een onverwachte techniek: origami.

Hyde en Dixit hopen Nasa te overtuigen hun ontwerp voor een reusachtige lens te gebruiken in een toekomstige ruimtetelescoop. Die telescoop moet een spiegel of lens krijgen met een diameter van wel honderd meter.

Op aarde krijg je zo'n formaat nooit voor elkaar, astronomen daar zijn al trots op telescopen van tien meter. Een kleinere telescoop vangt natuurlijk minder licht, maar bovendien ziet hij minder scherp. Je kunt zulke telescopen wel laten samenwerken, zoals nu gebeurt op Hawaiï en in het Europese observatorium op de berg Paranal in Chili. Twee stuks, honderd meter van elkaar, krijgen zo de gezichtsscherpte van een honderd-meter telescoop. Maar ze vangen lang niet zoveel licht op.

Een honderd-meter telescoop in de ruimte is echter ook geen abc-tje. Wordt het bijvoorbeeld een spiegel of een lens? Op aarde is dat geen vraag: een lens kun je alleen aan de zijkanten steunen, het glas gaat doorzakken als hij te groot wordt en dan is de lens onbruikbaar. Een spiegel kun je aan de achterkant steunen.

Maar in de ruimte is van doorzakken geen sprake, en dan is een lens opeens een stuk aantrekkelijker. Geen gewone lens, benadrukt Sham Dixit, want die zou in het midden meters dik worden en dan is hij toch nog te zwaar. Uit flinterdun glas willen hij en zijn collega een Fresnel lens maken, een grote broer van het ding dat op de achterruit van een bestelbus moet zorgen dat er geen paaltjes geraakt worden. In plaats van het dikteverloop in het glas,zoals bij een gewone lens, zorgen concentrische cirkels op het oppervlak ervoor dat het licht wordt bijgebogen.

Zo'n grote, slappe lens kan het in de ruimte goed doen, denken ze. Door hem aan het draaien te brengen komt hij vanzelf strak te staan. Op enkele kilometers afstand, bij het brandpunt, zal een losse satelliet het beeld aflezen dat de lens maakt van afgelegen objecten.

Maar hoe vouw je zo'n lens op voor het vervoer? Dat kan niet willekeurig, zegt Dixit. ,,Als je hem opvouwt zoals je met een krant zou doen, krijg je vouwen die scherp zijn, en andere die rond zijn omdat er in opgevouwen toestand veel lagen tussen zaten. Je wilt eigenlijk alleen maar scherpe vouwen, want die nemen samen minder oppervlakte van de lens in beslag en dan hou je meer nuttige ruimte over.'

Wie een specialist in het vouwen zoekt, komt vanzelf terecht bij origami. En als het niet om het maken van een mooie kraanvogel maar om 'platvouwen' gaat, kom je vanzelf in Japan terecht, bij Koryo Miura van de universiteit van Tokio. Naar hem is zelfs een speciale manier van vouwen genoemd, de 'Miura-ori', die hij in de jaren zestig uitvond omdat hij zich ergerde aan het gedoe dat het uitvouwen en vooral het weer opvouwen van een landkaart met zich meebrengt.

De Miura-vouw is tot nu toe onbekend gebleven, want hoewel je een kaart er in een handomdraai mee in- en uit elkaar schijnt te kunnen krijgen, is de techniek lastig om toe te passen met vouwmachines die drukkers gebruiken. Maar vorige maand was er een conferentie in Californië waar origami-enthousiasten, wiskundigen en technici als Sham Dixit elkaar ontmoetten. Daar kon Miura aankondigen dat een uitgever in Japan stadsplattegronden gaat uitgeven die volgens zijn methode gevouwen zijn. En meldde Dixit dat de Miura-vouw hoge ogen gooit om te helpen bij het in kaart brengen van de kosmos.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden