Op reis tussen de sterren

Een asteroïde zweeft door een onmetelijke leegte. Op het oppervlak knipperen enkele lichtjes en zijn ronde en hexagonale vormen te onderscheiden. In het filmpje dat Angelo Vermeulen toont, zien we steeds meer van deze bouwseltjes ontstaan. Een lappendeken van aaneengeketende modules omsluit al gauw de rots waardoor het gevaarte meer op een ruimteschip dan op een asteroïde gaat lijken.

Met dit soort hybride gevaartes zal de mensheid het heelal in gaan, voorziet Vermeulen, leider van de onderzoeksgroep TU Delft Starship Team (DSTART). Science fiction? ESA neemt zijn onderzoek serieus.

Leven op planeten en ruimteschepen
“In de toekomst leven we in verschillende constellaties in het heelal. Niet alleen op planeten, maar ook in ruimteschepen en in ruimtestations verspreid door diverse sterrenstelsels. Het is de deep future.”

Vermeulen doet promotieonderzoek naar interstellaire exploratie bij het departement multi-actor systems van de faculteit Techniek, Bestuur & Management (TBM). Hij is eerder al gepromoveerd in de ontwikkelingsbiologie en is behalve onderzoeker ook kunstenaar. Hij is medeoprichter van het collectief SEAD (Space Ecologies Art and Design) dat aan kunstprojecten werkt met technologische grondslag. Met die achtergrond is Vermeulen er niet vies van om buiten de gebaande paden te treden.

“We weten weinig over de interstellaire ruimte; over de diverse soorten deeltjes die je er kunt verwachten en de soorten straling. Voor ingenieurs is dat een lastig gegeven. Hoe ontwerp je een systeem voor een toekomst die je niet goed kunt inschatten? Ons idee: we moeten een ruimteschip maken dat zich continu aanpast.”

‘Kom bij mij niet aanzetten met iets oppervlakkigs als Star Wars’

In het huidige ontwerp bestaat zo’n ruimteschip uit een asteroïde die vol groeit met modules. Het rotsblok voorziet de mens van grondstoffen. Cruciaal is de 3D-printer waarmee ontgonnen grondstoffen omgezet kunnen worden in nieuwe bouwonderdelen. Boosters kunnen de baan van de asteroïde bijsturen. En zo begeeft de mensheid zich alsmaar verder in het heelal, generatie na generatie. Het systeem moet volledig gesloten zijn. Alles moet gerecycled.

Technologisch onderbouwd
Sciencefiction. Vermeulen neemt dit woord tijdens het gesprek zelf als eerste in de mond. Ja, die term krijgt hij regelmatig naar zijn hoofd geslingerd. Hij zit er niet mee. “Ik ben groot fan. Maar let wel, het moet hard sciencefiction zijn, die technologisch is onderbouwd. Kom bij mij niet aanzetten met iets oppervlakkigs als Star Wars.”

Dat hij serieus wordt genomen blijkt wel uit het feit dat hij afgelopen juni een van de sprekers was op een door ESA georganiseerde conferentie over interstellaire ruimtereizen bij ESTEC in Noordwijk. En in oktober presenteert hij vier artikelen over zijn onderzoeksprojecten tijdens het International Astronautical Congres in Washington DC.

Maar even een stap terug. Waarom zouden we ons zonnestelsel verlaten? “Voor mij is dat een logische extrapolatie van de menselijke geschiedenis. We kunnen nog maar ongeveer een eeuw vliegen. In mum van tijd hebben we emotionele en psychologische comfort opgebouwd in de atmosfeer. En je ziet ook dat ruimtetoerisme van de grond begint te komen. We breiden de omgeving voor de mens telkens verder uit.”

Gaandeweg aanpassen
Interstellaire exploratie is van een totaal andere grootteorde dan de ruimtevaart zoals we die nu kennen. Herbevoorrading vanaf aarde kan niet. Een stapsgewijze verkenning, zoals bij de maanlanding 50 jaar terug, is ook al geen optie. Pas bij de elfde Apollo-missie werd de maanlanding ingezet. Al die voorgaande missies dienden om het systeem te optimaliseren.

Haalt het schip de eindstreep, of gaat het halverwege fout?

Bij een generation starship moeten mensen het ruimteschip gaandeweg aanpassen. Hoe? Dat onderzoekt Vermeulen met computersimulaties.

“We kijken hoe een ruimteschip zich ontwikkelt onder verschillende omstandigheden. We gaan bijvoorbeeld uit van een reis van honderd jaar. We nemen een asteroïde met een bepaalde chemische samenstelling als basis en stippelen een route uit door een omgeving met bepaalde deeltjesdichtheden en straling die schade kunnen aanrichten. We kijken dan binnen hoeveel tijd het schip voldoende aluminium kan ontginnen om een nieuw schild te maken die bestand is tegen onverwachte stralingsniveaus. Haalt het schip de eindstreep, of gaat het halverwege fout? En hoe zou het zijn gegaan als de omstandigheden onderweg anders waren geweest?”

Ecosysteem modelleren
“We modelleren ook het ecosysteem aan boord. Astronauten hebben elke dag een bepaalde hoeveelheid voedsel nodig. Ze produceren afval dat door bacteriën wordt afgebroken en omgezet in gewassen die op hun beurt zorgen voor calorieën en zuurstof.”

Vermeulen en zijn collega’s gebruiken verschillende soorten modellen. “De biologie simuleren we via agent-based modeling. Voor het ontginnen van grondstoffen en printen van onderdelen werken we met discrete events simulations, de impact van het interstellaire medium vangen we met systems dynamics en voor het evolutionaire gedeelte gebruiken we evolutionary algorithms. Die vier technieken proberen we in één model aan elkaar te knopen. Het is een huzarenstukje.”

Meer onderzoek op het gebied van overleven in de ruimte

Levende cellen
Hoe reageren levende cellen op gewichtloosheid en straling in de ruimte? Die vraag onderzoekt dr. Ralph Lindeboom (CiTG). Hij stuurde enkele jaren geleden bacteriën die urine kunnen afbreken mee de ruimte in met een Russische missie. Anderhalve maand draaiden de micro-organismen rondjes om de aarde. Bij terugkomst bleken ze even vitaal als tevoren. De studie leverde belangrijke inzichten op. Volgens Lindeboom kunnen de bacteriën die hij bestudeerde goed gebruikt worden om water te recyclen tijdens verre missies in het heelal.

Buitenaardse bouwsels
Als we een andere planeet of een asteroïde gaan bewonen kunnen we niet zonder robots die 3D-structuren printen. De onderzoeksgroep Robotic Building (Bouwkunde) van dr. Henriette Bier is door softwarebedrijf Dassault gevraagd om mee te doen aan een ontwerpprijsvraag op dit terrein. Bier begeleidt een groep van twaalf studenten die zich een jaar lang buigt over de vraag wat voor bouwsels je het beste creëert op Mars, gebruikmakend van de daar aanwezige grondstoffen en 3D-printers. Hoe die gebouwen eruit zien zal in de zomer van 2020 blijken als de deelnemers hun ontwerpen presenteren in Parijs.