In de 146 meter hoge drop tower in Bremen hebben onderzoekers succesvol een lichtzeiltje getest. Het piepkleine zeiltje van het flinterdunne materiaal grafeen vloog enkele seconden in gewichtsloze toestand, voortgestuwd door laserlicht. Een belangrijke stap richting lichtzeilende ruimtevaart.
Zeilen door de ruimte, voortgestuwd door licht, is waarschijnlijk de beste manier om andere sterren te bezoeken. Je hebt dan immer niet het probleem dat je brandstof opraakt. De Europese onderzoeksgroep heeft met steun van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA aangetoond dat speciaal ontworpen lichtzeiltjes van grafeen geschikt zijn voor deze vorm van ruimtereizen.
Voortgestuwd door licht
Een ruimteschip met lichtzeil beweegt als een zeilboot in de wind. Maar in plaats van wind, waar in de ruimte een gebrek aan is, ‘blaast’ de zon, of een gerichte laserstraal vanaf de aarde, het vaartuig voort. De lichtdeeltjes reflecteren daarbij tegen het lichtzeil of worden erdoor geabsorbeerd. Zo oefenen ze een druk uit op het zeil, waardoor het ruimteschip een zet krijgt.
Dat lichtzeilen in de ruimte mogelijk is, demonstreerden de ‘lichtvlieger’ IKAROS van de Japanse ruimtevaartorganisatie JAXA in 2010 en LightSail 2 van de Amerikaanse Planetary Society in 2019. Beide zijn zonnezeilen; ze worden dus voortgestuwd door het licht van de zon.
Helaas is de stralingsdruk van licht niet erg krachtig. Voor verre ruimtereizen heb je daarom enorm grote, lichte, sterke en goed reflecterende zeilen nodig. Ook moet het materiaal dun zijn, zodat het klein opgevouwen mee kan tijdens de lancering.
Het ‘wondermateriaal’ grafeen blijkt hier geschikt voor. Grafeen, dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een kippengaaspatroon, is licht en sterk. Bovendien lijkt het licht efficiënt om te zetten in voortstuwing. Dit komt doordat het niet alleen een zet krijgt van gereflecteerde lichtdeeltjes, maar ook van geabsorbeerd licht.
Lichtzeil van grafeen
Om het zeil zo licht mogelijk te maken, demonstreerden de onderzoekers een nieuw ontwerp. ‘We verminderden de zeilmassa door een flinterdun geperforeerd laagje koper met micro-gaatjes te gebruiken’, vertelt Santiago Cartamil-Bueno, directeur van SCALE Nanotech en leider van het GrapheneSail-team. Dit koper bedekten ze met twee dunne laagjes grafeen, waardoor de gaten afgesloten waren. Dat leverde een zeiltje op van 0,03 millimeter dik dat met een minimale massa zoveel mogelijk licht opvangt.
‘De fabricage van het zeil is relatief eenvoudig en kan gemakkelijk worden opgeschaald naar vierkante kilometers’, zegt Cartamil-Bueno. ‘Maar het gebruik van zo’n gigantisch zeil in de ruimte zal een serieuze uitdaging zijn.’
De onderzoekers hebben enkele prototype-zeiltjes van de materiaal getest in de valtoren in Bremen. De prototypes waren cirkelvormige zeiltjes met een doorsnee van 3 millimeter en een gewicht van 0,25 milligram. Deze zeiltjes ging mee in een capsule die 120 meter naar beneden viel in een bijna gewichtloze vrije val.
‘Vóór SpaceX naar Mars’
Tijdens die val, die nog geen 5 seconden duurde, beschenen lasers met een vermogen van 1 watt de zeiltjes. Met die voortstuwing haalden ze een versnelling van 1 m/s2. Daarmee toont het vrije-valexperiment aan dat het flinterdunne materiaal werkt als een lichtzeil.
Wat is de volgende stap voor het grafenen zeil? ‘We willen vóór SpaceX naar Mars zeilen’, grapt Cartamil-Bueno. ‘Maar voorlopig zoeken we eerst partners waarmee we de technologie kunnen opschalen voor een eventuele test in de ruimte. The sky is not the limit.’
