WW: Zonnewind in de zeilen

De woensdagmiddag is op GeenCommentaar Wondere Woensdagmiddag. Met extra aandacht voor de nieuwste ontwikkelingen in Wetenschap- en Techniekland.

Het is ongetwijfeld één van de belangrijkste uitvindingen uit de menselijke geschiedenis: het zeil. Tot haar uitvinding waren avontuurlijk ingestelde mensen afhankelijk van landverbindingen of getijden om ze te brengen naar waar ze naartoe wilden, maar toen er eenmaal zeilen op schepen gemonteerd werden lag de wereld open. Met behulp van het zeil kon onze planeet voor het eerst tot in alle hoeken en gaten verkend worden. Nu we, door verbrandings- en straalmotoren in de 21e eeuw in een paar uur aan de andere kant van de wereld kunnen zijn en (tele)communicatie een kwestie van milliseconden is lijkt de rol van het zeil voor andere zaken dan pleziervaart grotendeels uitgespeeld. Het is daarom poetisch wel zo prettig dat het zeil volledig herontdekt lijkt te zijn voor die volgende grote verkenning: die van ons zonnestelsel.

Sinds de jaren ’60 wordt voor de lancering en voortbeweging van alle ruimtevaartuigen reactiemotoren gebruikt. Dit soort apparaten verbrand brandstof (in het geval van raketten grote hoeveelheden) en zorgt ervoor dat het één kant op spuwt. De derde wet van Newton zorgt ervoor dat de raket de andere kant opvliegt. Allemaal leuk en aardig, maar voor een beetje verre reis moet je gigantische hoeveelheden brandstof aan boord hebben. Het probleem is zichzelf versterkend: hoe meer brandstof er mee moet, hoe groter de massa van het te versnellen voertuig en hoe meer energie en dus brandstof er nodig is om die te versnellen. Je begrijpt de ellende: raketmotoren hebben een beperkte afstandsradius en als we ver weg willen binnen afzienbare tijd moeten we andere manieren bedenken om aan de benodigde versnelling te komen.

Ik herinner me uit een jaren ’80 editie van KIJK dat hiervoor toen al als oplossing het zonnezeil voor werd aangedragen. Een zonnezeil is een manier van voortbeweging waarbij zonneenergie (in de vorm van fotonen) wordt opgevangen op grote, dunne zeilvormige spiegels en omgezet in voortstuwingskracht. Dit kan omdat er sprake is van zogenaamde stralingsdruk. Gedurende de 20e eeuw werd eerst voorspeld en later aangetoond dat fotonen behalve energie ook momentum hebben en die af kunnen geven als ze een oppervlak raken. Als de straling wordt gereflecteerd is die twee keer zo groot als wanneer deze wordt geabsorbeerd. De resulterende versnelling is weliswaar zeer klein, maar gegeven dat een zonnezeil continu binnen bereik van zonnestraling is en omdat er geen wrijving is in het vacuum van de ruimte kunnen zeer hoge eindsnelheden bereikt worden.

De eerste zonnezeilen zijn inmiddels gelanceerd. Op 21 mei van dit jaar werd vanaf een Japanse raket (je hebt nog wel een raket nodig om aan de zwaartekracht van de Aarde te ontsnappen) de IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) gelanceerd.  IKAROS heeft een vierkant zeil met een diameter van 20 meter en een dikte van slechts 7,5 micrometer. Het eerste zonnezeilende ruimtevaartuig is onderweg naar Venus en gedurende de reis worden alle systemen gecontroleerd. Bij een succesvolle test wordt een tweede ruimtevaartuig met een 50 meter groot zeil achter IKAROS aangeschoten.

De Amerikanen bleven niet lang achter en NASA lanceerde begin december NanoSail-D. Een satelliet die zijn naam waarmaakt: het zonnezeil waarmee hij zich zou moeten voortstuwen is slechts 30 bij 10 cm groot. Problematisch is dat Nanosail-D sinds de voorgenomen lancering niets van zich heeft laten horen en NASA vraagt zich nu dan ook hardop af of de lancering wel succesvol was.

En Europa gaat nu ook een duit in het zakje doen. De EU heeft een driejarig project goedgekeurd waarin het Fins Meteorologisch Instituut de opdracht krijgt een zonnezeilend ruimtevaartuig te maken. Volgens de berichten zou het hier moeten gaan om het snelste voertuig ooit door mensen gemaakt. De zogenaamde ESAIL zou volgens de berekeningen in vijf jaar de niet-meer-planeet Pluto moeten kunnen bereiken. Dit is nog niet helemaal vergelijkbaar met de reisduur van zes maanden die Magellaan nodig had om de wereldbol rond te zeilen, maar we zijn een eind op weg. Wie weet kunnen we binnen afzienbare tijd plezierzeiltochtjes boeken naar onze buurplaneten, de zonnewind in de zeilen, navigerend op de sterren.