Zonnewind: voortstuwing zonder brandstof met de adem van de zon
De zon staat nooit stil. Vanuit haar buitenste laag, de corona, spuit ze onophoudelijk geladen deeltjes de ruimte in: protonen en elektronen die met snelheden van honderden kilometers per seconde door het zonnestelsel razen. Die deeltjesstroom heet de zonnewind. Het is geen wind zoals wij die kennen – er is geen lucht in de ruimte – maar een ijle, elektrisch geladen mist die alle planeten omspoelt. Je merkt er iets van als je een poollicht ziet: dat ontstaat wanneer zonnewinddeeltjes op het magneetveld van de aarde botsen.
Waar de zonnewind lange tijd vooral een natuurverschijnsel was dat astronomen bestudeerden, proberen ingenieurs hem tegenwoordig ook praktisch te gebruiken. Het idee: als een zeilboot op de wind kan varen, kan een ruimtesonde misschien op de zonnewind "zeilen". Dat concept heet het elektrisch zonnewindzeil, in het Engels het Electric Solar Wind Sail of kortweg E-sail. Het is deze technologie waar het begrip zonnewind in toekomstgerichte technieknieuws meestal naar verwijst: niet het natuurverschijnsel op zich, maar de manier waarop we het proberen te benutten.
Wat is het precies?
De zonnewind bestaat vooral uit protonen (positief geladen deeltjes) en elektronen (negatief geladen), afkomstig uit de gloeiend hete buitenste laag van de zon. Ze verlaten de zon met snelheden van ongeveer 300 tot 800 kilometer per seconde en vullen een enorme bel van ruimte om de zon, de heliosfeer genoemd, die zich ver voorbij de baan van Pluto uitstrekt.
Een elektrisch zonnewindzeil maakt gebruik van een simpel natuurkundig principe: gelijke ladingen stoten elkaar af. Het ruimtevaartuig ontvouwt een stel lange, haardunne metalen draden – tethers genoemd – die radiaal naar buiten steken, zoals de spaken van een fietswiel. Elke tether kan enkele kilometers tot enkele tientallen kilometers lang zijn. Door het hele vaartuig langzaam te laten ronddraaien, blijven de draden door de middelpuntvliedende kracht strak gespannen, zonder dat er stijve steunconstructies nodig zijn.
Vervolgens wordt zo'n draad elektrisch positief geladen, tot een spanning van enkele tienduizenden volt, met behulp van een elektronenkanon aan boord dat voortdurend elektronen wegschiet. Omdat de tether positief is en de protonen in de zonnewind ook positief zijn, stoten ze elkaar af. Elke keer dat een proton in de buurt van de draad langskomt, krijgt het een duwtje weg, en de draad krijgt als reactie een duwtje de andere kant op – in de richting waarin het vaartuig wil bewegen. Eén botsing levert vrijwel niets op, maar met miljarden deeltjes per seconde over een groot "zeiloppervlak" van meerdere draden bij elkaar, ontstaat een meetbare, continue stuwkracht.
Belangrijk om niet te verwarren: dit is iets anders dan een klassiek zonnezeil (solar sail). Dat laatste gebruikt de druk van licht – fotonen die op een groot, spiegelend zeil kaatsen. Het elektrisch zonnewindzeil gebruikt geen licht, maar de deeltjesstroom van de zonnewind, en heeft daarvoor geen fysiek zeildoek nodig, alleen dunne geladen draden. Het grote voordeel van beide concepten is dat er geen brandstof aan boord hoeft: de voortstuwing is in principe "gratis" en oneindig, zolang het vaartuig zich in de zonnewind bevindt.
Wat wil men ermee bereiken?
Klassieke raketten en ionmotoren hebben drijfgas of brandstof nodig, en dat weegt zwaar mee in het ontwerp van een ruimtemissie: hoe verder en langer de reis, hoe meer brandstof je moet meenemen, wat de sonde weer zwaarder en duurder maakt. Een zonnewindzeil heeft dat probleem niet. Het levert weliswaar een kleine stuwkracht, maar die werkt jarenlang continu door, waardoor een sonde uiteindelijk hogere snelheden kan bereiken dan met een eenmalige raketmotorverbranding.
De belangrijkste ambitie is dan ook het goedkoper en sneller bereiken van de verre uithoeken van ons zonnestelsel: de banen van Jupiter, Saturnus, en uiteindelijk de heliopauze, de rand waar de invloed van de zon overgaat in de interstellaire ruimte. Voor dat soort verre missies is elke kilo brandstof die je niet hoeft mee te nemen, kostenbesparend.
Er is ook een dichter-bij-huis toepassing, die "plasmarem" wordt genoemd: hetzelfde principe, maar dan omgekeerd, om een klein object juist af te remmen met behulp van het plasma in de ionosfeer van de aarde. Dat kan gebruikt worden om oude satellieten en ruimteschroot versneld uit hun baan te laten vallen, zodat ze in de dampkring verbranden. Daarmee raakt deze techniek ook aan een heel ander, actueel probleem: de groeiende hoeveelheid rondzwevend ruimtepuin.
Voorbeelden uit de praktijk
De belangrijkste vroege test was ESTCube-1, een kleine Estse nanosatelliet van de Universiteit van Tartu, gelanceerd in 2013. Het doel was om voor het eerst een tether daadwerkelijk in de ruimte uit te rollen en de afstotende kracht te meten. De uitrolmechaniek liep echter vast, waardoor de draad niet volledig kon worden uitgevouwen. De missie leverde desondanks waardevolle techniek-lessen op over hoe lastig het is om iets zo dun en lang betrouwbaar te ontvouwen in de ruimte.
Een volgende stap kwam met Aalto-1, een Finse satelliet van de Aalto-universiteit, gelanceerd in 2017. Aan boord zat een experiment met de eerdergenoemde plasmarem, waarmee onderzoekers probeerden te testen of het uitrollen en de remwerking beter zouden verlopen dan bij de Estse voorganger. Ook hier bleek het mechanisch ontvouwen van de dunne draad een van de grootste technische knelpunten.
Daarna volgden kleinere Finse opvolgmissies, waaronder satellieten uit de FORESAIL-serie, die naast plasmarem-experimenten ook instrumenten meenamen om de ruimteweercondities – waaronder de zonnewind zelf – preciezer te meten. Deze missies zijn vooral gericht op het stap voor stap valideren van losse onderdelen van de technologie, niet op een volwaardige interplanetaire vlucht.
Het oorspronkelijke idee komt van de Finse onderzoeker Pekka Janhunen, verbonden aan het Finse Meteorologisch Instituut (FMI), die het concept rond 2006 voor het eerst uitwerkte. Zijn instituut blijft de drijvende kracht achter verdere ontwerpstudies voor een volwaardige E-sail-missie, al is zo'n missie op dit moment nog niet gepland of gefinancierd.
Hoe ver is de techniek?
Het elektrisch zonnewindzeil bevindt zich nog in een vroege onderzoeksfase. Er is tot dusver geen enkele missie geweest waarbij een volledig, operationeel zeil van tientallen draden daadwerkelijk stuwkracht heeft geleverd in de diepe ruimte; alle tests tot nu toe waren kleinschalige demonstraties van losse onderdelen, met wisselend succes.
De grootste technische horde is het betrouwbaar uitrollen en gespannen houden van haardunne, kilometers lange draden zonder dat ze breken, verstrikt raken of beschadigd raken door microscopisch ruimtepuin. Daarnaast moet het vaartuig continu een hoge positieve spanning op de draden handhaven, wat een werkend elektronenkanon en voldoende elektrische energie aan boord vereist – doorgaans afkomstig van zonnepanelen, die zelf weer minder opleveren naarmate een sonde verder van de zon af komt.
Dat laatste wijst op een fundamentele spanning in het concept: de zonnewind wordt ijler naarmate je verder van de zon verwijderd bent, waardoor de stuwkracht afneemt juist op het moment dat je die het hardst nodig hebt voor een verre reis. Onderzoekers proberen dit te ondervangen door de meeste versnelling dicht bij de zon te laten plaatsvinden, voordat het vaartuig doorschiet naar buiten. Ook is de zonnewind zelf geen constante stroom: zonnestormen en variaties in zonneactiviteit zorgen voor wisselende dichtheid en snelheid, wat de voorspelbaarheid van de stuwkracht bemoeilijkt.
Kortom: het basisprincipe is natuurkundig goed onderbouwd en in laboratoria bevestigd, maar de stap naar een betrouwbaar werkend, grootschalig ruimtesysteem is nog niet gezet. Concrete tijdpaden voor een volwaardige missie ontbreken vooralsnog.
Wie werken eraan?
Finland is al twintig jaar het onbetwiste centrum van dit onderzoeksveld, met Pekka Janhunen en het Finse Meteorologisch Instituut (FMI) als grondleggers van het concept. De Aalto-universiteit in Helsinki bouwt en test de bijbehorende kleine satellieten, waaronder Aalto-1 en de FORESAIL-missies.
In Estland heeft de Universiteit van Tartu met het ESTCube-programma een belangrijke bijdrage geleverd aan de eerste praktijktests. Deze Finse en Estse groepen werken regelmatig samen en wisselen kennis uit, mede dankzij hun geografische en wetenschappelijke nabijheid.
Op Europees niveau heeft het Europees Ruimteagentschap (ESA) in het verleden verkennende haalbaarheidsstudies naar de technologie gefinancierd, al is dat losser en kleinschaliger dan bij grote gefinancierde vlaggenschipmissies. Verder blijft de bredere kring van universiteiten en instituten die zich bezighouden met kleine satellieten (cubesats) en ruimteweeronderzoek relevant, omdat zij zowel de meettechniek als de testplatforms leveren waarop dit soort experimenten meeliften. Vergelijkbaar, maar technisch afzonderlijk, onderzoek naar het klassieke lichtgedreven zonnezeil wordt onder meer gedaan door NASA en The Planetary Society, wat soms voor verwarring zorgt omdat beide concepten "zeil" in de naam dragen maar op andere natuurkunde berusten.