Grafenen lichtzeilen getest in gewichtloze vrije val

In een 140 meter hoge toren in Bremen doet een groep onderzoekers van de TU Delft experimenten met een lichtzeil gemaakt van grafeen. Door een capsule met daarin hun experiment naar beneden te laten vallen hebben de onderzoekers vijf seconden de tijd om hun zeil in gewichtloze toestand te testen.

Een lichtzeil is een manier om een ruimtevaartuig zonder brandstof voort te stuwen. Het is vergelijkbaar met een zeilboot, maar in plaats van wind, wordt het vaartuig voortgeduwd door de stralingsdruk van lichtdeeltjes. Deze deeltjes worden geabsorbeerd of gereflecteerd door het oppervlak van het lichtzeil en oefenen daarbij een druk uit op het zeil waardoor het ruimteschip een zet krijgt, weg van de lichtbron.

Het Delftse GrapheneX-team test deze week in een gewichtloze omgeving of grafeen geschikt is als lichtzeil. Het Nobelprijswinnende grafeen is een licht en sterk materiaal van slechts een atoomlaag dik. Dat maakt het een geschikte kandidaat.

De zeiltjes hebben een diameter van 3 millimeter en 2 tot 6 lagen grafeen.

De zeiltjes die de onderzoekers testen, hebben een diameter van drie millimeter. Ze bestaan uit twee tot zes lagen grafeen om zoveel mogelijk licht te reflecteren in de korte tijd die het experiment duurt.

De onderzoekers doen vijf dagen lang elke dag een experiment in de valtoren van het ZARM in Bremen. De zeilen worden samen met een laser en een camera in een capsule gestopt. Zodra de capsule in een bijna gewichtloze vrije val is, wordt het kleine zeiltje losgelaten en beschenen door een laser. De camera legt vast of het zeiltje door het licht in beweging wordt gebracht. „We verwachten dat het licht het zeiltje in vijf seconden een millimeter kan verplaatsen”, vertelt promovendus Vera Janssen van de TU Delft.

140 meter naar beneden

Hoe lang de gewichtloze toestand duurt, is afhankelijk van de manier waarop de capsule vrije val gebracht wordt. Hij kan omhoog getakeld worden en vervolgens bijna 140 meter naar beneden vallen. Het experiment is dan ongeveer vijf seconden in vrije val. Spectaculairder is de tweede manier. Hierbij wordt de capsule vanaf de begane grond omhoog gekatapulteerd en valt hij vervolgens weer naar beneden. Het geheel duurt dan bijna tien seconden in vrije val.

„Begin deze week bleek helaas dat er bij het katapulteren te veel verstoringen optreden in het experiment”, vertelt Janssen donderdagochtend aan de telefoon. „Daarom gaan we vandaag en morgen de capsule omhoog takelen.”

Lichtzeilen zijn een populaire voorstuwingstechniek voor verre ruimtereizen. De techniek werd in 2010 voor het eerst gedemonstreerd door het Japanse ruimtevaartuig IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun).

Door te zeilen op zonnewind hoeft een sonde geen zware brandstof mee te nemen die bovendien op kan raken. Het licht voor de voorstuwing van IKAROS was afkomstig van de zon. Maar er zijn ook plannen om met een laser vanaf de aarde een zeilende ruimtesonde ergens heen te ‘blazen’. Met die techniek willen miljardair Yuri Milner en natuurkundige Stephen Hawking kleine ruimtesondes van een paar gram naar de dichtstbijzijnde ster Alpha Centauri sturen.

Bekijk hier een filmpje over de lichtzeilen

Om zwaardere ruimtesondes voort te stuwen zijn grote lichtzeilen nodig, omdat de druk van lichtdeeltjes erg zwak is. „Voor een onbemande ruimtesonde van ongeveer één kilogram is een zeil van een paar vierkante meter groot nodig”, vertelt Janssen.

Zeil van 20 centimeter

IKAROS heeft bijvoorbeeld een vierkant zeil met een diagonaal van 20 centimeter. Dit zeil was gemaakt van het polymeer polyimide, een materiaal dat zwaarder is dan grafeen, maar makkelijker op groot formaat geproduceerd kan worden. Het is nu nog niet rendabel om stukken grafeen te maken die groter zijn dan een paar decimeter. „Maar technisch kan het wel”, vertelt Janssen. „Het is vooral een kwestie van opschalen.”

GrapheneX voert de experimenten uit in het kader van het programma ’Drop Your Thesis!’ van ESA Education, waarin studenten worden uitgenodigd om ideeën in te dienen voor experimenten in een gewichtloze omgeving.