Het ruimtevaartuig van morgen zal worden gebouwd met geavanceerde materialen met verbijsterende eigenschappen.
Luister naar dit verhaal via streaming audio, een downloadbaar bestand, of krijg hulp.
Sept. 16, 2002: “Wat ik echt zoek,” zeg je tegen de verkoper, “is een auto die minstens 10.000 mijl gaat tussen tankbeurten, repareert zichzelf automatisch, cruises op 500 mph, en weegt slechts een paar honderd kilo.”
Als hij daar met grote ogen staat, voegt u eraan toe, “Oh ja, en ik kan maar een kwart uitgeven van wat deze andere auto’s kosten.”
dramatisch verbeterde ruimtevaartuigen mogelijk te maken.
Met zo’n verzoek word je vast uitgelachen bij een nieuwe auto. Maar in veel opzichten is deze droomauto een metafoor voor de ruimtevaartuigen die we de komende decennia nodig zullen hebben om ons zonnestelsel verder te verkennen. Deze nieuwe ruimtevaartuigen zullen sneller, lichter, goedkoper, betrouwbaarder, duurzamer en veelzijdiger moeten zijn, en dat allemaal tegelijk.
Onmogelijk? Voordat u antwoordt, bedenk hoe een veeboer van 200 jaar geleden zou hebben gereageerd als een man had gevraagd om een paard te kopen dat urenlang 100 mph kon lopen, zijn hele familie en al hun bagage kon dragen, en de hele tijd zijn favoriete liedjes voor hem kon zingen! Vandaag noemen we ze minivans.
Revoluties in de technologie – zoals de Industriële Revolutie die paarden door auto’s verving – kunnen wat vandaag onmogelijk lijkt morgen gemeengoed maken.
Zulk een revolutie is op dit moment aan de gang. Drie van de snelst groeiende wetenschappen van onze tijd – biotech, nanotech en informatietechnologie – komen samen om wetenschappers een ongekende controle te geven over materie op moleculaire schaal. Het resultaat van deze intellectuele goudkoorts is een nieuwe klasse van materialen met verbazingwekkende eigenschappen die meer thuis lijken te horen in een science fiction roman dan op de werkbank van een laboratorium.
Stelt u zich bijvoorbeeld eens een stof voor met 100 keer de sterkte van staal, maar slechts 1/6 van het gewicht; materialen die zichzelf onmiddellijk genezen als ze doorboord worden; oppervlakken die de krachten kunnen “voelen” die erop drukken; draden en elektronica zo klein als moleculen; structurele materialen die ook elektriciteit opwekken en opslaan; en vloeistoffen die onmiddellijk naar believen kunnen omschakelen naar vast en weer terug. Al deze materialen bestaan vandaag de dag … en er zijn er nog meer op komst.
Met zulke verbijsterende materialen in de hand, begint het bouwen van het betere ruimtevaartuig toch niet zo vergezocht te lijken.
Gewicht is gelijk aan geld
De uitdaging van de volgende generatie ruimtevaartuigen hangt af van een paar primaire kwesties. De eerste en belangrijkste zijn natuurlijk de kosten.
“Zelfs als alle technische obstakels vandaag zouden zijn opgelost, moet het verkennen van ons zonnestelsel nog steeds betaalbaar zijn om praktisch te zijn”, zegt Dr. Neville Marzwell, manager van Revolutionaire Ruimtevaarttechnologie voor NASA’s Next Decadal Planning Team.
De kosten van ruimtevluchten verlagen betekent in de eerste plaats het gewicht verminderen. Elk pond dat wordt bespaard is een pond dat niet hoeft te worden voortgestuwd om aan de zwaartekracht van de aarde te ontsnappen. Lichtere ruimteschepen kunnen kleinere, efficiëntere motoren en minder brandstof hebben. Dit bespaart weer meer gewicht, waardoor een positieve spiraal van gewichtsbesparing en kostenreductie ontstaat.
Rechts: Deze volledig geladen Saturnus V maanraket woog 6,2 miljoen pond. Het was zwaar en duur om te lanceren.
De uitdaging is om het gewicht te verminderen en tegelijkertijd de veiligheid, betrouwbaarheid en functionaliteit te vergroten. Gewoon onderdelen weglaten is niet voldoende.
Wetenschappers onderzoeken een reeks nieuwe technologieën die ruimtevaartuigen kunnen helpen slanker te worden. Bijvoorbeeld, gossamer materialen – die ultra-dunne films – zou kunnen worden gebruikt voor antennes of fotovoltaïsche panelen in plaats van de omvangrijkere componenten die vandaag worden gebruikt, of zelfs voor enorme zonne zeilen die zorgen voor voortstuwing terwijl het gewicht slechts 4 tot 6 gram per vierkante meter.
Composiet materialen, zoals die worden gebruikt in carbon-fiber tennisrackets en golfclubs, hebben al veel gedaan om te helpen het gewicht te verminderen in de lucht-en ruimtevaart ontwerpen zonder in te boeten sterkte. Maar een nieuwe vorm van koolstof, “koolstofnanobuis” genaamd, belooft een drastische verbetering ten opzichte van composieten: De beste composieten hebben 3 of 4 keer de sterkte van staal in gewicht – voor nanobuizen is dat 600 keer!
“Deze fenomenale sterkte komt van de moleculaire structuur van nanobuizen,” legt Dennis Bushnell uit, een hoofdwetenschapper van het Langley Research Center (LaRC), NASA’s Center of Excellence voor Structuren en Materialen. Ze zien er een beetje uit als kippengaas dat in een cilinder is gerold, met koolstofatomen op elk van de hoeken van de zeshoeken.
Typisch zijn nanobuisjes ongeveer 1,2 tot 1,4 nanometer in doorsnee (een nanometer is een miljardste van een meter), wat slechts ongeveer 10 keer de straal is van de koolstofatomen zelf.
Hierboven: Het raster van koolstofatomen in een koolstofnanobuisje is als een soort pegboard voor het ophangen van andere soorten atomen en moleculen om de nanobuis speciale chemische, elektrische of thermische eigenschappen te geven. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Department of Physics Pennsylvania State University.
Nanobuizen werden pas in 1991 ontdekt, maar nu al heeft de intense belangstelling in de wetenschappelijke gemeenschap ons vermogen om nanobuizen te maken en te gebruiken enorm vooruit geholpen. Slechts 2 tot 3 jaar geleden waren de langste nanobuisjes die waren gemaakt ongeveer 1000 nanometer lang (1 micron). Vandaag zijn wetenschappers in staat om buisjes te kweken van wel 200 miljoen nanometer (20 cm). Bushnell merkt op dat er ten minste 56 laboratoria over de hele wereld werken aan de massaproductie van deze piepkleine buisjes.
“Er worden grote vorderingen gemaakt, dus het maken van bulkmaterialen met behulp van nanobuisjes zal waarschijnlijk gebeuren,” zegt Bushnell. “Wat we niet weten is hoeveel van deze 600 keer de sterkte van staal in gewicht zal worden gemanifesteerd in een bulkmateriaal. Toch zijn nanobuisjes onze beste gok.”
juist: De treksterkte van koolstofnanobuizen is veel groter dan die van andere materialen met hoge sterkte. Merk op dat elke stap op de verticale as een macht van 10 is.
Naast hun sterkte zijn nanobuisjes waarschijnlijk ook belangrijk voor een ander deel van het plan om ruimtevaartuigen lichter te maken: materialen die meer dan één functie kunnen vervullen.
“Vroeger bouwden we structuren die alleen maar domme, doodgewicht houders waren voor actieve onderdelen, zoals sensoren, processors en instrumenten,” legt Marzwell uit. “Nu hebben we dat niet meer nodig. De houder kan een integraal, actief onderdeel van het systeem zijn.”
Stel je voor dat het lichaam van een ruimtevaartuig ook energie zou kunnen opslaan, waardoor zware batterijen niet meer nodig zijn. Of dat oppervlakken zichzelf kunnen buigen, zodat er geen aparte actuators meer nodig zijn. Of dat schakelingen direct in het lichaam van het ruimteschip kunnen worden ingebouwd. Wanneer materialen op moleculaire schaal kunnen worden ontworpen, worden dergelijke holistische structuren mogelijk.
Schilden van ruimtevaartuigen
Mensen kunnen zelfs het geringste speldenprikje overal op hun lichaam voelen. Het is een verbazingwekkend stukje zelf-monitoring – mogelijk omdat je huid bevat miljoenen microscopische zenuwuiteinden en zenuwen om die signalen te voeren naar je hersenen.
Ook materialen die deel uitmaken van kritische systemen in een ruimteschip kunnen worden ingebed met nanometer-schaal sensoren die voortdurend de toestand van de materialen te controleren. Als een onderdeel begint te falen – dat wil zeggen, als het “slecht aanvoelt” – zouden deze sensoren de centrale computer kunnen waarschuwen voordat de tragedie toeslaat.
Moleculaire draden zouden de signalen van al deze ingeweven sensoren naar de centrale computer kunnen transporteren, waardoor de onpraktische massa van miljoenen en miljoenen van de huidige draden kan worden vermeden. Ook hier kunnen nanobuisjes deze rol vervullen. Het handige van nanobuisjes is dat ze als geleider of als halfgeleider kunnen werken, afhankelijk van hoe ze zijn gemaakt. Wetenschappers hebben moleculaire draden van andere langwerpige moleculen gemaakt, waarvan sommige zich zelfs op natuurlijke wijze in nuttige configuraties samenvoegen.
Links: Dit piëzo-elektrische materiaal, ontwikkeld in het Langley Research Center (LaRC) van de NASA, kan vervormingen “voelen”, zoals buiging of oppervlaktedruk, en als reactie daarop een kleine spanning produceren die als signaal kan dienen voor een centrale computer. Afbeelding met dank aan NASA’s Morphing Project op LaRC.
Jouw huid is ook in staat om zichzelf te genezen. Geloof het of niet, maar sommige geavanceerde materialen kunnen hetzelfde doen. Zelfhelende materialen gemaakt van lange-keten moleculen genaamd ionomeren reageren op een doordringend object zoals een kogel door zich achter de kogel te sluiten. Ruimteschepen zouden een dergelijke huid kunnen gebruiken omdat de ruimte vol zit met kleine projectielen – snel bewegende brokstukken van kometen en asteroïden. Mocht een van deze zand- tot kiezelgrote objecten het pantser van het schip doorboren, dan zou een laag van zelfhelend materiaal de cabine luchtdicht houden.
Meteoroïden zijn niet het enige gevaar; de ruimte is ook gevuld met straling. Ruimteschepen in een lage baan om de aarde worden aanzienlijk beschermd door het magnetisch veld van onze planeet, die een veilige bel vormt van ongeveer 50.000 km breed met het middelpunt op de aarde. Buiten die afstand vormen zonnevlammen en kosmische straling echter een bedreiging voor ruimtereizigers.
Recht: Een zonnevlam blaast energetische straling de ruimte in.
Wetenschappers zijn nog steeds op zoek naar een goede oplossing. De kunst is om een goede afscherming te maken zonder veel extra gewicht aan het ruimteschip toe te voegen. Enkele lichtgewicht stralingsbeschermende materialen worden momenteel getest in een experiment genaamd (MISSE) aan boord van het internationale ruimtestation. Maar deze materialen alleen zullen niet genoeg zijn.
De echte boosdoener is Galactische Kosmische Straling (GCR), die wordt geproduceerd bij supernova-explosies in de verte. Het bestaat voor een deel uit zeer zware positieve ionen, zoals ijzerkernen, die met grote snelheid door de ruimte zoeven. De combinatie van hoge massa en hoge snelheid maakt deze kleine atomaire “kanonskogels” zeer destructief. Wanneer zij de cellen in het lichaam van mensen doorboren, kunnen zij het DNA uiteenrijten, wat leidt tot ziekte en zelfs kanker.
“Het blijkt dat de slechtste materialen die je kunt gebruiken voor afscherming tegen GCR metalen zijn,” merkt Bushnell op. Wanneer een galactische comic ray een metalen atoom raakt, kan het de kern van het atoom verbrijzelen – een proces dat verwant is aan de splijting die in kerncentrales plaatsvindt. De secundaire straling die door deze botsingen wordt geproduceerd kan erger zijn dan de GCR die het metaal moest afschermen.
Ironisch genoeg zijn lichte elementen zoals waterstof en helium de beste verdediging tegen deze GCR bruten, omdat botsingen met hen weinig secundaire straling produceren. Sommige mensen hebben voorgesteld om de woonruimte van het schip te omringen met een tank vloeibare waterstof. Volgens Bushnell zou een 50 tot 100 cm dikke laag vloeibare waterstof voldoende afscherming bieden. Maar de tank en het cryogene systeem zullen waarschijnlijk zwaar en onhandig zijn.
Ook hier zouden nanobuisjes nuttig kunnen zijn. Een raster van koolstof nanobuisjes kan waterstof opslaan bij hoge dichtheden, en zonder de noodzaak van extreme koude. Dus als ons ruimteschip van de toekomst al nanobuisjes gebruikt als ultralicht constructiemateriaal, kunnen die buisjes dan ook met waterstof worden geladen om als stralingsbescherming te dienen? Wetenschappers onderzoeken de mogelijkheid.
Links: Wanneer kosmische straling met hoge energie het DNA van astronauten binnendringt, kan dit schade veroorzaken die leidt tot kanker of andere door straling veroorzaakte ziekten. Images courtesy NASA’s Office of Biological and Physical Research.
Een stap verder, lagen van dit structurele materiaal zou kunnen worden doorspekt met atomen van andere elementen die goed zijn in het filteren van andere vormen van straling: borium en lithium om de neutronen te behandelen, en aluminium om elektronen op te zuigen, bijvoorbeeld.
Camping Out in the Cosmos
Aard’s oppervlak is meestal veilig voor kosmische straling, maar andere planeten zijn niet zo gelukkig. Mars, bijvoorbeeld, heeft geen sterk magnetisch veld om stralingsdeeltjes af te buigen, en zijn atmosferische deken is 140 keer dunner dan die van de aarde. Deze twee verschillen maken de stralingsdosis op het Marsoppervlak ongeveer een derde zo intens als in de onbeschermde open ruimte. Toekomstige verkenners van Mars zullen een stralingsbescherming nodig hebben.
“We kunnen de meeste materialen voor een onderkomen op lange termijn niet meenemen vanwege het gewicht. Dus één ding waar we aan werken is hoe we stralingsbeschermende materialen kunnen maken van de elementen die we daar vinden,” zegt Sheila Thibeault, een wetenschapper bij LaRC die gespecialiseerd is in stralingsbescherming.
Rechts: Astronauten die een kamp opzetten op Mars zullen bescherming nodig hebben tegen ruimtestraling. Image credit:Frassanito and Associates, Inc.
Een mogelijke oplossing is “Mars-stenen.” Thibeault legt uit: “Astronauten zouden stralingsbestendige bakstenen kunnen maken van materialen die lokaal op Mars beschikbaar zijn, en ze gebruiken om schuilplaatsen te bouwen.” Ze zouden bijvoorbeeld het zandachtige “regolith” dat het oppervlak van Mars bedekt, kunnen combineren met een polymeer dat ter plaatse wordt gemaakt van kooldioxide en water, die beide in overvloed aanwezig zijn op de rode planeet. Door dit mengsel met microgolven te bestralen, ontstaan plasticachtige bakstenen die een goede bescherming tegen straling vormen.
“Door microgolven te gebruiken, kunnen we deze bakstenen snel maken met heel weinig energie of apparatuur,” legt ze uit. “En het polymeer dat we zouden gebruiken, draagt bij aan de stralingswerende eigenschappen van het regolith.”
Marsschuilplaatsen zouden de betrouwbaarheid van zelfvoelende materialen, de duurzaamheid van zelfhelende materialen en de gewichtsbesparing van multifunctionele materialen nodig hebben. Met andere woorden, een huis op Mars en een goed ruimtevaartuig hebben veel van dezelfde dingen nodig. Al deze dingen worden door onderzoekers overwogen, zegt Thibeault.
The Folks Back Home
Gewonderachtige geavanceerde materialen zullen ook op aarde van pas komen.
“NASA’s onderzoek is zeker gericht op ruimtevaartuigen,” merkt Anna McGowan op, manager van NASA’s Morphing Project (een inspanning voor geavanceerd materiaalonderzoek in het Langley Research Center). “De basiswetenschap zou echter op veel andere gebieden kunnen worden gebruikt. Er zouden miljoenen spin-offs kunnen zijn.”
Links: Gemaakt van slimme materialen, zouden de vliegtuigen van morgen zelfbuigende vleugels kunnen hebben die zonder kleppen werken — waardoor de luchtweerstand wordt verminderd en de brandstofkosten worden verlaagd.
Maar nu nog niet. De meeste geavanceerde materialen missen de technische verfijning die nodig is voor een gepolijst, robuust product. Ze zijn nog niet klaar voor primetime. Desondanks, zeggen onderzoekers, is het slechts een kwestie van tijd: Uiteindelijk zal die autoverkoper stoppen met lachen … en beginnen met het verkopen van je ruimtevaartdroommachine.
Web Links
Buck Rogers, kijk uit! — Science@NASA artikel: NASA-onderzoekers bestuderen insecten en vogels, en gebruiken “slimme” materialen met griezelige eigenschappen om nieuwe en verbijsterende vliegtuigontwerpen te ontwikkelen.
Voorbeelden van de toekomst — Science@NASA-artikel: De geavanceerde ruimteschepen van morgen zullen worden gemaakt van vreemde materialen met een buitengewone weerstand tegen de harde omgeving van de ruimte. Het Materials International Space Station Experiment (MISSE) wil uitvinden welke materialen het best werken.
Rechts: Tegen de achtergrond van de opkomende zon steekt de MISSE buiten het internationale ruimtestation de ruimte in.
Digging in and taking cover — Science@NASA artikel: Maan- en Marsgrond kan stralingsbescherming bieden voor bemanningen op toekomstige missies. Zie ook “Making Mars Bricks.”
Center for Nanotechnology (CNT) — bij NASA’s Ames Research Center.
Needs van toekomstige missies — opsomming van technologieën die nodig zijn voor toekomstige ruimte-exploratie en enkele mogelijke oplossingen, van het CNT.
Nanotube Links: Nanotubes & Buckyballs (Nanotechnology Now); Carbon nanotubes (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Onderzoek in moleculaire elektronica: een transistor op nanoschaal van IBM; een eenvoudige logische poort gemaakt van nanodraden; een aanpasbare nanobuis voor draden of structuren van Purdue University.
Space Weather on Mars — Science@NASA artikel: Toekomstige menselijke ontdekkingsreizigers van Mars kunnen hun paraplu’s achterlaten op Aarde, maar misschien moeten ze hun geigertellers niet vergeten! Een NASA-experiment op weg naar de Rode Planeet wil dat uitvinden.
Geef een antwoord