Een reis naar de sterren? Moet kunnen, meent een Delftse onderzoeker

Volgende halte: Mars. Na slechts 28 uur reizen kun je foto’s maken van de kraters van de rode planeet. Als je tijd over hebt, bezoek dan Jupiter, de grootste planeet in ons zonnestelsel, genoemd naar de Romeinse god Jupiter. Mis vooral niet de met ijs bedekte vloeibare oceaan van Europa, Jupiters maan.

Dit klinkt als een passage uit Douglas Adams’ boek The Hitchhikers Guide to the Galaxy, maar een reis als deze, die met de huidige technologie vele jaren zou duren, is helemaal niet vergezocht. Voor geminiaturiseerde ruimtevaartuigen wel te verstaan. Objecten met een vijfde van de lichtsnelheid door de ruimte sturen, is de belofte van een technologie waaraan onderzoeker Richard Norte (faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme techniek & Technische Materiaalwetenschappen) werkt.

Norte raakte geïnspireerd door een internationaal initiatief dat Breakthrough Starshot heet. Het doel daarvan is ruimtevaartuigen naar naburige zonnestelsels te sturen met behulp van zogeheten lichtzeilen. Met lasers op aarde zou het mogelijk moeten zijn om ultralichte miniatuurruimtesondes, die vast zitten aan lichtzeilen, met snelheden tot 100 miljoen kilometer per uur voort te stuwen. Bij de sondes moet je denken aan microchips met geïntegreerde camera’s, sensoren en communicatiesystemen.

Zeilen op laserlicht
Al zeilend op laserlicht zouden de sondes de meest dichtstbijzijnde ster buiten ons zonnestelsel – Proxima Centauri, op 4,25 lichtjaar afstand – in slechts twintig jaar bereiken. Dat staat in schril contrast met de tienduizend jaar die zo’n reis nu zou duren. Tripjes naar planeten in ons eigen zonnestelsel stellen dan al helemaal niets meer voor. De reistijd naar Mars zou slechts 28 uur zijn (nu doe je daar meer dan vier maanden over), en over een reis naar Jupiter zou je acht dagen doen (in plaats van vijf jaar).

Het idee van lichtzeilen, waarbij fotonen weerkaatsen op grote spiegelende oppervlakten en zo zorgen voor voortstuwing, is niet nieuw. In 2010 lanceerden Japanners het ruimtevaartuig Ikaros. Het zeilde in zes maanden naar Venus. Maar als je je laat voortstuwen door krachtige laserstralen en de zeilen vergroot, dunner maakt en reflectiever, dan moeten veel hogere snelheden te bereiken zijn.

Het produceren van de vereiste extreem krachtige lasers is een huzarenklus. Maar de fabricage van de ultradunne zeilen is volgens Norte nog uitdagender. Tijdens zijn promotieonderzoek aan het California Institute of Technology experimenteerde Norte met etstechnologieën om wafers te maken. Dit zijn dunne plakken silicium halfgeleidermateriaal die aan de basis staan van de chipindustrie. De methodes waar hij aan werkte, lijken ook veelbelovend om extreem lichte en sterk reflecterende zeilen mee te maken.

Duizend maal dunner dan een menselijke haar
Zo veelbelovend zelfs, dat de Europese Unie hem deze week 2,1 miljoen euro heeft gegeven (een ERC Starting Grant) om het onderzoek aan de TU Delft voort te zetten. Zijn project heet EARS (Extreme-Aspect-Ratio nanoSystems). In totaal kregen vier Delftse onderzoekers deze week een ERC Starting Grant. 

Wat zijn de uitdagingen in zijn onderzoek? “De zeilen moeten duizend maal dunner worden dan een menselijke haar en maar liefst zestien vierkante meter groot worden”, legt Norte uit. “We hebben het dus over objecten die van zowel nano- als macroschaal zijn. Het zijn extreme verhoudingen. Met de bestaande nanotechnologie kun je dergelijke objecten niet maken. Dit vergt heel andere nanotechnologie.”

Het zal nog decennia duren voordat de eerste objecten met zeilen en krachtige energiestralen de ruimte in worden geschoten. “Het is een project van de lange adem”, zegt Norte eufemistisch.

‘We werken aan ongekende licht-materie interacties’

Op veel kortere termijn zouden lichtgewicht zeilmaterialen van een paar vierkante centimeter en lasers gebruikt kunnen worden om voorwerpen van een milligram te laten zweven. “Dat zouden echt ongekende licht-materie interacties zijn”, zegt Norte. In de lichtzweverij geldt een object van een milligram als een kolossaal gevaarte.

Ook dit idee is niet helemaal nieuw. Het heeft wat weg van optische pincetten. Dit zijn instrumenten die met sterk gefocuste laserstralen microscopische en submicroscopische objecten, zoals atomen, nanodeeltjes en druppeltjes, kunnen vasthouden en verplaatsen. De uitvinder, Arthur Ashkin, kreeg in 2018 de Nobelprijs voor Natuurkunde voor deze vondst.

“Maar waar wij op uit zijn”, zegt Norte, “is de optische controle van massieve objecten: honderdduizend keer zwaarder dan alles wat tot nu toe met licht is opgetild. Dit biedt nieuwe mogelijkheden om zwaartekracht te bestuderen.”