In het afgelopen decennium, duizenden planeten zijn ontdekt buiten ons zonnestelsel. Dit heeft geleid tot een hernieuwde belangstelling voor ruimteverkenning, inclusief de mogelijkheid om ruimtevaartuigen te sturen om exoplaneten te verkennen. Gezien de uitdagingen die zich voordoen, een aantal geavanceerde concepten wordt momenteel onderzocht, zoals het aloude concept van een licht zeil (zoals geïllustreerd door Breakthrough Starshot en soortgelijke voorstellen).

Echter, in meer recente jaren, wetenschappers hebben een potentieel effectiever concept voorgesteld dat bekend staat als het elektrische zeil dat bestaat uit gaas dat elektrische ladingen genereert om zonnewinddeeltjes af te buigen, waardoor momentum ontstaat. In een recente studie, twee Harvard-wetenschappers vergeleken en contrasteerden deze methoden om te bepalen welke voordeliger zou zijn voor verschillende soorten missies.

De studie, die onlangs online is verschenen en wordt beoordeeld voor publicatie door Acta Astronautica , werd uitgevoerd door Manasavi Lingam en Abraham Loeb - een assistent-professor aan het Florida Institute of Technology (FIT) en de Frank B. Baird Jr. Professor of Science aan de Harvard University en de directeur van het Institute for Theory and Computation (ITC), respectievelijk.

Het concept van een lichtzeil is oud, met een ruimtevaartuig uitgerust met een groot vel reflecterend materiaal dat de stralingsdruk van een ster (stellaire wind) gebruikt om in de loop van de tijd te versnellen. Een groot voordeel van deze technologie is dat er geen ruimtevaartuig nodig is om zijn eigen brandstofvoorraad te vervoeren, die typisch goed is voor het grootste deel van de massa van een ruimtevaartuig.

Dit is vooral belangrijk als het gaat om interstellaire reizen, aangezien de hoeveelheid reactiemassa die nodig is om zelfs maar een fractie van de lichtsnelheid (c) te bereiken, enorm zou zijn. En in tegenstelling tot concepten zoals antimaterie-aandrijving of concepten die afhankelijk zijn van fysica die nog niet getest (of zelfs hypothetisch) is, zonne-/lichtzeilen maken gebruik van technologie en fysica die op dit moment volledig zijn bewezen.

Een ander voordeel is dat een lichtzeil kan worden versneld met andere middelen dan zonnestraling. Zoals Lingam via e-mail aan Universe Today uitlegde:"Lichtzeilen kunnen worden 'geduwd' door ofwel laserarrays of zonne-/stellaire straling. het grote voordeel van lichte zeilen is dat men geen brandstof aan boord hoeft te dragen, in tegenstelling tot chemische raketten. Dit vermindert de massa van het ruimtevaartuig aanzienlijk, aangezien het grootste deel van de massa in chemische raketten te wijten is aan de brandstof. Hetzelfde voordeel geldt ook voor elektrische zeilen."

Echter, in recente jaren, variaties op dit concept zijn ontwikkeld, zoals het magnetische zeil ("magsails") voorgesteld door Robert Zubrin en Dana Andrews in 1988, en het in 2006 door Pekka Janhunen voorgestelde elektrische zeil. In het geval van het eerste, een supergeleidende lus zou een elektrisch veld genereren, terwijl de laatste een magnetisch veld zou genereren via een zeil van kleine draden - die beide zonnewind zouden afstoten.

Deze concepten hebben enkele opmerkelijke verschillen met conventionele zonne- of lichtzeilen. Zoals Lingam uitlegde:"Elektrische zeilen vertrouwen op de overdracht van momentum van de geladen zonne-/stellaire winddeeltjes (protonen in ons voorbeeld) door ze af te buigen via elektrische velden, terwijl lichtzeilen afhankelijk zijn van impulsoverdracht van fotonen die door de ster worden uitgezonden. Dus, de wind van de ster drijft elektrische zeilen aan, terwijl elektromagnetische straling die door de ster wordt uitgezonden lichtzeilen aandrijft."

Interessant genoeg, magnetische zeilen zijn door sommige onderzoekers beschouwd als een mogelijk middel om een ​​licht zeil te vertragen als het zijn bestemming nadert. Een van die onderzoekers is professor Claudius Gros van het Instituut voor Theoretische Fysica, Goethe-universiteit, Frankfurt, en Andreas Hein en Kelvin F. Long, de hoofdonderzoekers van Project Dragonfly, een concept vergelijkbaar met Breakthrough Starshot.

Alle drie de concepten zijn in staat om de door sterren uitgezonden straling om te zetten in momentum, maar hebben ook hun deel van de nadelen. Voor starters, elektrische zeilen zijn erg afhankelijk van de eigenschappen van hun gaststerren. lichte zeilen, anderzijds, worden grotendeels ondoeltreffend gemaakt als het gaat om M-type (rode dwerg) sterren omdat de stralingsdruk niet hoog genoeg is om voldoende snelheid te genereren om aan een stersysteem te ontsnappen.

Dit is een nogal beperkende kwestie, als lage massa, ultrakoele dwergen van het M-type zijn verantwoordelijk voor de overgrote meerderheid van de sterren in het universum - goed voor 75 procent van de sterren in de Melkweg. Rode dwergen leven ook ongelooflijk lang in vergelijking met andere klassen van sterren en kunnen tot 10 biljoen jaar in hun hoofdreeks blijven. Daarom, een voortstuwingssysteem dat rode dwergsystemen kan gebruiken, zou de voorkeur hebben boven langere tijdschalen.

Vanwege deze overwegingen, Lingam en Loeb probeerden te bepalen welke methode van interstellaire reizen de voorkeur zou hebben (lichte zeilen of elektronische zeilen) in relatie tot verschillende klassen van sterren:F-type (wit), G-type (geel), K-type (oranje), en M-type sterren. Na rekening te hebben gehouden met de stralingseigenschappen van elke klasse, ze hielden rekening met de waarschijnlijke massa van het ruimtevaartuig - op basis van de parameters die zijn vastgesteld door Breakthrough Starshot.

Wat ze ontdekten was dat een ruimtevaartuig in combinatie met een elektrisch zeil een betere voortstuwing vertegenwoordigt in de buurt van de meeste soorten sterren, en niet alleen voor ruimtevaartuigen op gramschaal. Echter, Uit de berekeningen van Lingam en Loeb bleek ook dat het aanzienlijk langer zou duren voordat een ruimtevaartuig met elektrisch zeil het soort snelheden zou bereiken dat interstellaire reizen praktisch zou maken.

"In plaats daarvan, als men lichtzeilen overweegt die worden aangedreven door laserarrays (zoals Breakthrough Starshot), het is dan mogelijk om direct relativistische snelheden te bereiken (bijv. 10 procent van de lichtsnelheid) via lichte zeilen; in tegenstelling tot, elektrische zeilen aangedreven door stellaire winden bereiken snelheden van slechts 0,1 procent van de snelheid van het licht, ' zei Lingam.

Terwijl een elektrisch zeil uiteindelijk 0,1 c zou kunnen bereiken door herhaaldelijk dicht bij sterren te komen, ze schatten dat dit 10 zou duren, 000 ontmoetingen in de loop van 1 miljoen jaar. Lingam zegt, "[E] elektrische zeilen vormen een levensvatbaar middel om interstellaire reizen te ondernemen. elke technologische soort die deze methode wil gebruiken, zou een lange levensduur moeten hebben, aangezien dit hele proces van het bereiken van relativistische snelheden ongeveer 1 miljoen jaar zou vergen. Als zulke langlevende soorten bestaan, elektrische zeilen vertegenwoordigen een redelijk handige en energiezuinige manier om de Melkweg over lange tijdschalen (miljoenen jaren) te verkennen."

Terwijl 1 miljoen jaar in kosmische termen niet veel meer is dan een oogwenk, het is ongelooflijk lang in termen van de levensduur van beschavingen - althans volgens onze normen. Als soort, de mensheid bestaat al ongeveer 200, 000 jaar en heeft zijn geschiedenis slechts ongeveer 6000 jaar vastgelegd. Meer ter zake, we zijn pas de laatste 60 jaar een ruimtevarende beschaving geweest.

Ergo, een zeil dat kan worden versneld door lasers blijft de meest praktische manier om exoplaneten in ons leven te verkennen. Een andere implicatie voor deze studie is dat het de zoektocht naar buitenaardse intelligentie (SETI) zou kunnen ondersteunen. Bij het zoeken in het universum naar tekenen van technologische activiteit (technosignatures), wetenschappers worden gedwongen te zoeken naar signalen die ze zullen herkennen.

Gezien de voordelen van een elektrisch zeil, het is mogelijk dat een buitenaardse beschaving deze technologie verkiest boven vergelijkbare. Zoals prof. Loeb via e-mail aan Universe Today uitlegde:"Onze berekeningen impliceren dat geavanceerde beschavingen waarschijnlijk de voorkeur geven aan het gebruik van elektrische zeilen boven lichte zeilen voor voortstuwing die is gebaseerd op de natuurlijke output van sterren in de vorm van wind of straling. , als een technologische beschaving snelheden wil bereiken of grote ladingen wil lanceren die niet kunnen worden voortgestuwd door de kracht die wordt geproduceerd door hun gastster, dan zal het waarschijnlijk de voorkeur geven aan lichte zeilen, die worden geduwd door hun kunstmatig geproduceerde lichtstraal zoals een krachtige laser. De situatie is vergelijkbaar met het verschil tussen zeilboten, die gebruik maken van de wind die moeder natuur gratis ter beschikking stelt, in vergelijking met grotere of snellere boten die worden voortgestuwd door kunstmatige middelen zoals een motor."

Helaas, zoals Loeb eraan toevoegde, elektrische zeilen zijn niet gemakkelijk te detecteren op grote afstanden omdat ze zijn gemaakt van geëlektrificeerde draadgaas en geen duidelijke technosignaturen uitstralen. "Daarom, " concludeert hij, "SETI zou zich vooral moeten richten op het zoeken naar lichte zeilen, die zichtbaar zijn door lekkage van hun lichtstralen buiten de grenzen van het zeil in de buurt van hun lanceerplaatsen of omdat ze zonlicht weerkaatsen wanneer ze dicht bij de zon passeren, net als asteroïden of kometen van vergelijkbare grootte."

Echter, Lingam en Loeb benadrukken ook dat elektrische zeilen om precies dezelfde reden een aantrekkelijke optie kunnen zijn voor een buitenaardse beschaving. Naast energiezuinig, elektrische zeilen zijn niet onderhevig aan spillover en kunnen daarom ongemerkt van het ene sterrenstelsel naar het andere reizen. Een mogelijke oplossing voor de Fermi Paradox? Misschien!

In elk geval, deze studie geeft wel aan dat onze huidige plannen om naburige sterrenstelsels te verkennen zich moeten concentreren op concepten die de nadruk leggen op snelheid boven levensduur. Dit betekent niet dat het een slecht idee is om elektrische of magnetische zeilen in te zetten die het universum eeuwenlang kunnen blijven verkennen. maar een missie die tijdens ons leven in een ander sterrenstelsel kan aankomen, lijkt voorlopig de beste optie.