Laser zet grafeen in beweging

Grafeen vormt een belofte voor gebruik als ruimtezeil. Volgens de theorie zet het zich namelijk in beweging als je er een sterke laser op richt. Onderzoekers van de TU Delft presenteren nu de eerste meetresultaten van de meetcampagne die ze in november in een valtoren in het Duitse Bremen deden.

Van 13 tot en met 17 november deden de vier leden van het GrapheneX-team van de TU Delft in Bremen een bijzonder experiment. In een capsule van 300 kg stopten ze een proefopstelling, waarbij een laser van 1 W op een stukje grafeen zou schijnen (lees: ‘Grafeen als ruimtezeil getest in valproeven’). De vraag was of dit intense licht het grafeen een beetje zou verplaatsen. Dat is namelijk het principe waarop ruimtezeilen gebaseerd zijn (lees: 'Lasergestuurde minisonde naar Alpha Centauri').
 

Katapult

Met de aard van deze experimenten maakten de onderzoekers het zichzelf niet makkelijk. De proef waar het om draait vindt namelijk plaats in een capsule, die ze helemaal moesten voorbereiden, maar waar ze na lanceren in de valtoren niets meer aan konden doen (zie foto). ‘Het experiment werkt met een soort katapult die de capsule lanceert, waarna daarin bijna tien seconden gewichtsloosheid optreedt’, vertelt Vera Janssen van het GrapheneX-team (dat verder wordt gevormd door Santiago Cartamil-Bueno, Rocco Gaudenzi en Davide Stefani).

De lanceermethode bleek problemen op te leveren. Tegelijk met de verticale snelheid kreeg de capsule namelijk ook een kleine rotatie mee om de as, van ongeveer 1 °/s. 'Dat lijkt weinig, maar dat zorgde ervoor dat het plakje grafeen in de capsule zijwaarts ging bewegen, waardoor het al snel buiten het veld van onze meetmicroscoop terechtkwam’, vertelt Janssen.
 

Vallen

Snel wijzigde het team zijn tactiek, en bij de laatste twee metingen werd de capsule niet gelanceerd. In plaats daarvan liet het team de capsule van bovenin de toren (146 m) vallen. Op die manier kreeg de capsule geen rotatie mee. De eerste van die twee metingen was een nulmeting, om zeker te weten dat het velletje grafeen zonder laseraansturing helemaal niet beweegt. Dat bleek inderdaad het geval.

Bij het vijfde experiment (de tweede valmeting), waarbij de laser aan stond, verplaatste het grafeen zich, zoals de theorie voorspelt. ‘We zijn blij dat dit toch nog is gelukt en onze meetweek succesvol was. Het was hard werken om elke dag weer een experiment klaar te zetten voor de volgende dag; we hebben weinig van de stad Bremen gezien. Maar we zijn heel trots dat het ons uiteindelijk is gelukt’, aldus Janssen.



 

Vragen

Toch zijn er nog vragen om te beantwoorden. Het velletje grafeen bewoog zich namelijk verder dan volgens berekeningen zou moeten. ‘Onze experimenten laten zien dat de verplaatsing zeker door de laser komt; we weten alleen niet 100 % zeker dat het komt door straling alleen. Het vacuüm in de capsule was in de proeven iets minder goed dan had gemoeten, dus het kan ook nog zijn dat er een beetje gas bij het grafeen zat dat door de laser is opgewarmd en is uitgezet.’

Het GrapheneX-team zou hiervoor graag nieuwe proeven doen, maar voorlopig gaat dat niet lukken. ‘Wij hebben dit alle vier naast ons werk als promovendus gedaan. Momenteel bekijken we of we wel tijd hebben om weer een projectvoorstel te schrijven.’
 

Ruimtezeilen

Het zal nog wel een paar jaar duren voordat de ruimtevaart ruimtezeilen van grafeen gebruikt. Daarbij zijn er twee opties: aandrijving door zonlicht, zoals de Japanners in 2010 testten met project IKAROS, of aandrijving door een laser. Maar beide methoden komen op zijn vroegst over 15 à 20 jaar, schat Janssen in. Dan zullen de eerste nanosondes van 500 g met een ruimtezeil vooruit gaan.

‘Er zijn geen grote wetenschappelijke problemen, het zijn vooral ingenieursuitdagingen. Een doorbraak op dit gebied hangt bijvoorbeeld af van de populariteit van grafeen. Komt het op grote schaal in consumentenelektronica terecht, dan zal de ontwikkeling van ruimtezeilen ook sneller gaan.’

Team GrapheneX heeft een leuke Facebookpagina bijgehouden tijdens de meetweek in november. Meer details en een paar blogs van de onderzoekers zijn te lezen op de Graphene Flagship-website.

Openingsbeeld Twee mechanismen in de capsule om een stukje grafeen op commando los te laten. Beeldmateriaal ESA / GrapheneX-team

Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.