Grafeen lijkt een geschikt materiaal om te gebruiken als ruimtezeil, om lichte ruimtesondes mee aan te drijven. Maar hoe het materiaal reageert op een laser, nodig voor de voortstuwing, is nog weinig onderzocht. Daarom doen Delftse wetenschappers van het GrapheneX-team deze week proeven in een Duitse valtoren. In gewichtsloze omstandigheden schijnen ze een sterke laser op een proefstukje grafeen.
Vergeet even de raketmotoren en de zware raketten die mensen naar het ISS, de maan of Mars moeten brengen. Optimistische wetenschappers en geldschieters dromen ervan om kleine, lichte ruimtesondes naar de dichtstbijzijnde sterren te schieten (lees: ‘Lasergestuurde minisonde naar Alpha Centauri’).
Een van de manieren om zo’n sonde aan te drijven, is met een ruimtezeil. Dit is een fors zeil van een vederlicht materiaal dat je vanaf de aarde beschijnt met laserlicht. De opgetelde impuls van de fotonen in het licht duwt het zeil – en dus de sonde – richting de sterren. Berekeningen laten zien dat ongeveer een vijfde van de lichtsnelheid haalbaar moet zijn.
Grafeen
Maar dan moet er wel eerst een bruikbaar ruimtezeil zijn. Momenteel onderzoekt een team van vier wetenschappers van de TU Delft één van de mogelijke materialen: grafeen. Het is een flinterdun materiaal dat bestaat uit louter koolstofatomen, geordend in een laag van één atoom dik, en dat relatief erg sterk is. Grafeen is al een paar jaar het lievelingetje van materiaalonderzoekers.
De proeven vinden plaats in de valtoren van het Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) van de Universität Bremen van 146 m hoog (zie foto rechts). Het team won de experimenteertijd en financiering bij deelname aan het programma Drop Your Thesis! van ESA-Education.
Negen seconden
Het idee van de toren is dat een capsule verticaal omhoog wordt geschoten en dan net zo hard weer omlaag valt. Tijdens de ruim negen seconden die die vlucht duurt, heerst in de capsule gewichtsloosheid. ‘Die is bijna perfect, een miljoenste van de zwaartekracht op aarde, omdat in de toren vacuüm heerst’, vertelt Vera Janssen, een van de onderzoekers van het GrapheneX-team en promovendus experimentele natuurkunde aan de Universiteit Leiden.
Proef
Janssen en collega’s ontwierpen een proef voor in de capsule, om te testen wat het effect is van een sterke laser die schijnt op een velletje grafeen. Dat grafeen zit in de capsule op een roostertje van koper gespannen. Los zou grafeen gaan kreukelen of dubbelklappen. Het proefstukje is rond en heeft een doorsnede van 2 mm.
Tijdens de proef schijnt een laser van 1 W op dit proefstuk en dan moet blijken hoeveel het proefstuk in die negen seconden gewichtsloosheid wordt verplaatst. Een identiek referentie-proefstukje ernaast wordt niet door de laser beschenen en zal dus op zijn plek blijven. ‘We verwachten een verschil tussen de twee proefstukken van rond de 2 mm’, aldus Janssen. Vanwege de grote gevoeligheid van het vederlichte proefstuk, heerst in de capsule een nog beter vacuüm van 0,003 mbar. De kracht van de laser op het proefstukje is extreem klein: 5∙10-5 N/kg, vergelijkbaar met de kracht die een voorwerp van een 0,5 mg uitoefent.
Metingen
Gisteren vonden de eerste tests van de opstelling plaats en vandaag hoopt het GrapheneX-team de eerste metingen te doen. ‘Voor zover wij weten, zijn we de enigen die dit soort proeven doen’, zegt Janssen. Voor de teamleden is een ruimtezeil ook een exotische toepassing van grafeen. Meestal werken zij aan meer aardse toepassingen van membranen van grafeen, zoals druksensoren.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.