Sinds het begin van het ruimtetijdperk, mensen hebben vertrouwd op chemische raketten om de ruimte in te komen. Hoewel deze methode zeker effectief is, het is ook erg duur en vereist een aanzienlijke hoeveelheid middelen. Als we kijken naar efficiëntere manieren om de ruimte in te gaan, men moet zich afvragen of vergelijkbare geavanceerde soorten op andere planeten (waar de omstandigheden anders zouden zijn) op vergelijkbare methoden zouden vertrouwen.

Harvard-professor Abraham Loeb en Michael Hippke, een onafhankelijke onderzoeker verbonden aan het Sonneberg Observatorium, beide hebben deze vraag behandeld in twee onlangs verschenen papers. Terwijl prof. Loeb kijkt naar de uitdagingen waarmee buitenaardse wezens worden geconfronteerd bij het lanceren van raketten vanaf Proxima b, Hippke overweegt of buitenaardse wezens die op een superaarde leven, in de ruimte kunnen komen.

De papieren, tegels "Interstellar Escape from Proxima b is Barely Possible with Chemical Rockets" en "Spaceflight from Super-Earths is moeilijk" verschenen onlangs online, en werden geschreven door Prof. Loeb en Hippke, respectievelijk. Terwijl Loeb de uitdagingen aanpakt van chemische raketten die aan Proxima b ontsnappen, Hippke overweegt of dezelfde raketten überhaupt een ontsnappingssnelheid zouden kunnen bereiken.

Ter wille van zijn studie, Loeb overwoog hoe wij mensen het geluk hebben om op een planeet te leven die zeer geschikt is voor ruimtelanceringen. Eigenlijk, als een raket van het aardoppervlak moet ontsnappen en de ruimte moet bereiken, het moet een ontsnappingssnelheid bereiken van 11.186 km/s (40, 270 km/u; 25, 020 km/u). evenzo, de ontsnappingssnelheid die nodig is om weg te komen van de locatie van de aarde rond de zon is ongeveer 42 km/s (151, 200 km/u; 93, 951 km/u).

Zoals prof. Loeb via e-mail aan Universe Today vertelde:

"Chemische voortstuwing vereist een brandstofmassa die exponentieel groeit met de eindsnelheid. Door een gelukkig toeval is de ontsnappingssnelheid uit de baan van de aarde rond de zon op de grens van de haalbare snelheid door chemische raketten. Maar de bewoonbare zone rond zwakkere sterren is dichterbij in, waardoor het voor chemische raketten veel moeilijker wordt om daar uit de diepere zwaartekrachtput te ontsnappen."

Zoals Loeb in zijn essay aangeeft, de ontsnappingssnelheid schaalt als de vierkantswortel van de stellaire massa over de afstand tot de ster, wat inhoudt dat de ontsnappingssnelheid uit de bewoonbare zone omgekeerd evenredig is met de stellaire massa tot de macht een kwart. Voor planeten zoals de aarde, draaiend binnen de bewoonbare zone van een G-type (gele dwerg) ster zoals onze zon, dit lukt best wel even.

Helaas, dit werkt niet goed voor terrestrische planeten die om M-sterren (rode dwerg) met een lagere massa draaien. Deze sterren zijn het meest voorkomende type in het heelal, alleen al goed voor 75 procent van de sterren in de Melkweg. In aanvulling, recent onderzoek naar exoplaneten heeft een overvloed aan rotsachtige planeten ontdekt die in een baan rond rode dwergsterrenstelsels draaien, met sommige wetenschappers die wagen dat ze de meest waarschijnlijke plaats zijn om potentieel bewoonbare rotsachtige planeten te vinden.

We gebruiken de ster die het dichtst bij de onze staat als voorbeeld (Proxima Centauri), Loeb legt uit hoe een raket die chemisch drijfgas gebruikt, veel moeilijker ontsnappingssnelheid kan bereiken vanaf een planeet die zich in zijn bewoonbare zone bevindt.

"De dichtstbijzijnde ster bij de zon, Proxima Centauri, is een voorbeeld van een zwakke ster met slechts 12 procent van de massa van de zon, "zei hij. "Een paar jaar geleden, er werd ontdekt dat deze ster een planeet ter grootte van de aarde heeft, Proxima b, in zijn bewoonbare zone, die 20 keer dichterbij is dan de scheiding van de aarde van de zon. Op die locatie, de ontsnappingssnelheid is 50 procent groter dan vanuit de baan van de aarde rond de zon. Een beschaving op Proxima b zal het moeilijk vinden om met chemische raketten van hun locatie naar de interstellaire ruimte te ontsnappen."

Hippke's papier, anderzijds, begint met te bedenken dat de aarde misschien niet het meest bewoonbare type planeet in ons universum is. Bijvoorbeeld, planeten die massiever zijn dan de aarde, zouden een hogere oppervlaktezwaartekracht hebben, wat betekent dat ze een dikkere atmosfeer zouden kunnen vasthouden, die een grotere afscherming zou bieden tegen schadelijke kosmische straling en zonnestraling.

In aanvulling, een planeet met een hogere zwaartekracht zou een vlakkere topografie hebben, resulterend in archipels in plaats van continenten en ondiepere oceanen – een ideale situatie als het om biodiversiteit gaat. Echter, als het gaat om raketlanceringen, verhoogde oppervlaktezwaartekracht zou ook een hogere ontsnappingssnelheid betekenen. Zoals Hippke in zijn onderzoek aangaf:

"Raketten lijden aan de vergelijking van Tsiolkovsky (1903):als een raket zijn eigen brandstof vervoert, de verhouding van de totale raketmassa versus de eindsnelheid is een exponentiële functie, waardoor hoge snelheden (of zware ladingen) steeds duurder worden."

Ter vergelijking, Hippke gebruikt Kepler-20 b, een Super-aarde op 950 lichtjaar afstand die 1,6 keer de straal van de aarde en 9,7 keer zijn massa is. Terwijl de ontsnappingssnelheid vanaf de aarde ongeveer 11 km/s is, een raket die een Super-Earth probeert te verlaten die lijkt op Kepler-20 b, zou een ontsnappingssnelheid van ~ 27,1 km/s moeten bereiken. Als resultaat, een eentrapsraket op Kepler-20 b zou 104 keer zoveel brandstof moeten verbranden als een raket op aarde om in een baan om de aarde te komen.

Om het in perspectief te plaatsen, Hippke beschouwt specifieke ladingen die vanaf de aarde worden gelanceerd. "Om een ​​nuttiger laadvermogen van 6,2 ton op te tillen, zoals vereist voor de James Webb Space Telescope op Kepler-20 b, de brandstofmassa zou toenemen tot 55, 000 ton, over de massa van de grootste oceaanslagschepen, ' schrijft hij. 'Voor een klassieke Apollo-maanmissie (45 t), de raket zou aanzienlijk groter moeten zijn, ~400, 000 ton."

Terwijl Hippke's analyse concludeert dat chemische raketten nog steeds ontsnappingssnelheden op superaarde tot 10 aardmassa's mogelijk maken, de benodigde hoeveelheid drijfgas maakt deze methode onpraktisch. Zoals Hippke opmerkte, dit kan ernstige gevolgen hebben voor de ontwikkeling van een buitenaardse beschaving.

"Ik ben verrast om te zien hoe dicht wij als mensen zijn om te eindigen op een planeet die nog redelijk licht is om ruimtevluchten uit te voeren, " zei hij. "Andere beschavingen, als ze bestaan, misschien niet zo veel geluk hebben. Op meer massieve planeten, ruimtevluchten zouden exponentieel duurder zijn. Zulke beschavingen zouden geen satelliet-tv hebben, een maanmissie, of een Hubble-ruimtetelescoop. Dit zou hun manier van ontwikkeling moeten veranderen op bepaalde manieren die we nu in meer detail kunnen analyseren."

Beide artikelen presenteren een aantal duidelijke implicaties als het gaat om de zoektocht naar buitenaardse intelligentie (SETI). Voor starters, het betekent dat beschavingen op planeten die rond rode dwergsterren of superaarde draaien, minder snel in de ruimte vliegen, wat het opsporen ervan moeilijker zou maken. Het geeft ook aan dat als het gaat om de soorten voortstuwing waarmee de mensheid bekend is, we zijn misschien in de minderheid.

"Deze bovenstaande resultaten impliceren dat chemische voortstuwing een beperkt nut heeft, dus het zou logisch zijn om te zoeken naar signalen die verband houden met lichtzeilen of nucleaire motoren, vooral in de buurt van dwergsterren, " zei Loeb. "Maar er zijn ook interessante implicaties voor de toekomst van onze eigen beschaving."

"Een gevolg van het artikel is voor ruimtekolonisatie en SETI, " voegde Hippke eraan toe. "Civs van Super-Earths zijn veel minder geneigd om de sterren te verkennen. In plaats daarvan, ze zouden (tot op zekere hoogte) worden "gearresteerd" op hun thuisplaneet, en bijv. maak meer gebruik van lasers of radiotelescopen voor interstellaire communicatie in plaats van sondes of ruimteschepen te sturen."

Echter, zowel Loeb als Hippke merken ook op dat buitenaardse beschavingen deze uitdagingen zouden kunnen aanpakken door andere voortstuwingsmethoden toe te passen. Uiteindelijk, chemische voortstuwing is misschien iets dat maar weinig technologisch geavanceerde soorten zouden gebruiken, omdat het gewoon niet praktisch voor hen is. Zoals Loeb uitlegde:

"Een geavanceerde buitenaardse beschaving zou andere voortstuwingsmethoden kunnen gebruiken, zoals kernmotoren of lichtzeilen die niet worden beperkt door dezelfde beperkingen als chemische voortstuwing en snelheden kunnen bereiken die oplopen tot een tiende van de lichtsnelheid. Onze beschaving ontwikkelt momenteel deze alternatieve aandrijftechnologieën, maar deze inspanningen staan ​​nog in de kinderschoenen."

Een voorbeeld hiervan is Breakthrough Starshot, die momenteel wordt ontwikkeld door de Stichting Doorbraakprijs (waarvan Loeb voorzitter is van de Adviescommissie). Dit initiatief heeft tot doel een lasergestuurd lichtzeil te gebruiken om een ​​nanocraft te versnellen tot snelheden van 20 procent van de snelheid van het licht, waardoor het in slechts 20 jaar tijd naar Proxima Centauri kan reizen.

Hippke beschouwt nucleaire raketten op dezelfde manier als een haalbare mogelijkheid, omdat een grotere oppervlaktezwaartekracht ook zou betekenen dat ruimteliften onpraktisch zouden zijn. Loeb gaf ook aan dat de beperkingen die worden opgelegd door planeten rond sterren met een lage massa, gevolgen kunnen hebben voor wanneer mensen het bekende universum proberen te koloniseren:

"Als de zon genoeg zal opwarmen om al het water van de aarde te laten koken, we zouden tegen die tijd kunnen verhuizen naar een nieuw huis. Enkele van de meest wenselijke bestemmingen zijn systemen van meerdere planeten rond sterren met een lage massa, zoals de nabije dwergster TRAPPIST-1 die 9 procent van een zonnemassa weegt en zeven planeten ter grootte van de aarde herbergt. Als we eenmaal in de bewoonbare zone van TRAPPIST-1 zijn, echter, er zou geen haast zijn om te ontsnappen. Zulke sterren verbranden waterstof zo langzaam dat ze ons tien biljoen jaar warm kunnen houden. ongeveer duizend keer langer dan de levensduur van de zon."

Maar ondertussen, we kunnen gerust zijn in de wetenschap dat we op een bewoonbare planeet rond een gele dwergster leven, die ons niet alleen het leven schenkt, maar het vermogen om de ruimte in te gaan en te verkennen. Zoals gewoonlijk, als het gaat om het zoeken naar tekenen van buitenaards leven in ons universum, wij mensen worden gedwongen om de "laaghangende fruitbenadering" te volgen.

In principe, de enige planeet die we kennen die leven ondersteunt is de aarde, en de enige middelen voor verkenning van de ruimte die we weten te zoeken, zijn diegene die we zelf hebben uitgeprobeerd en getest. Als resultaat, we zijn enigszins beperkt als het gaat om het zoeken naar biosignaturen (d.w.z. planeten met vloeibaar water, zuurstof- en stikstofatmosfeer, enz.) of technohandtekeningen (d.w.z. radio-uitzendingen, chemische raketten, enzovoort.).

Naarmate ons begrip van onder welke omstandigheden het leven kan ontstaan, toeneemt, en onze eigen technologische vooruitgang, we hebben meer om naar uit te kijken. En hopelijk, ondanks de extra uitdagingen waarmee het kan worden geconfronteerd, buitenaards leven zal ons zoeken!

Het essay van professor Loeb is onlangs ook gepubliceerd in Scientific American.