Wat gebeurde er met het ambitieuze plan voor een interstellaire ruimtereis?

In 2016 stelde techmiljardair Yuri Milner in New York het project Breakthrough Starshot voor. Het doel: binnen de twintig jaar miniruimtesondes naar Alpha Centauri sturen, het dichtstbijzijnde sterrenstelsel. Dankzij ultrakrachtige lasers zouden de ruimtetuigjes aan twintig procent van de lichtsnelheid kunnen reizen. Breakthrough Initiatives, Milners onderzoeksprogramma naar buitenaards leven, zou honderd miljoen dollar vrijmaken voor een haalbaarheidsstudie. Ex-astronaute Mae Jemison, voormalig NASA Ames Research Center-directeur Pete Worden en fysicus Stephen Hawking steunden het plan.

Ook Zachary Manchester, nu docent robotica (Carnegie Mellon University) werkte als onervaren twintiger mee aan de eerste fases van het project en vond het fantastisch dat hij coryfeeën, zoals fysicus Freeman Dyson, Nobelprijswinnaar Saul Perlmutter en Astronomer Royal Martin Rees, ontmoette.

Milners financiering – een peulschil vergeleken met het Apollo-programma – was meer dan wat er ooit voor interstellaire ruimtevaart is uitgetrokken. Eerdere projecten, onder meer van de NASA en DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), hadden niet veel opgeleverd. Dat moest nu veranderen. Grote namen gaven Breakthrough Starshot extra geloofwaardigheid en de media smulden van het grootse plan. 

Maar bijna tien jaar later blijft het verdacht stil rond Breakthrough Starshot. Ook bij wetenschappers die aan het project meewerken heerst er onduidelijkheid. Het enige wat Pete Worden, executive director van Starshot, kwijt wilde: ‘We hebben het project on hold gezet en dragen nu enkele onderdelen aan anderen over.’

Toch werd er sinds 2016 vooruitgang geboekt: wetenschappers en ingenieurs begrijpen nu beter wat er nodig is om naar andere sterrenstelsels te geraken. Interstellaire reizen zijn onwaarschijnlijk moeilijk. Met de huidige technologie zou het duizenden jaren duren om de dichtstbijzijnde ster te bereiken. Het zal dus nog vele decennia tijd vergen om dit te realiseren. Emeritus astrofysicus Edwin Turner (Princeton University) was al vroeg bij Breakthrough Starshot betrokken: ‘Voor zo’n omvangrijk technologisch programma is honderd miljoen dollar eigenlijk bitter weinig.’ Bovendien werd er volgens insiders veel minder dan de beloofde honderd miljoen uitgedeeld. Dat betekent niet per se dat Breakthrough Starshot verkwisting is, maar illustreert wel hoe riskant het is om op ultrarijke geldschieters te vertrouwen voor de financiering van wetenschappelijk onderzoek.

Krachtige lasers

Breakthrough Starshot vertrekt van een technologisch gedurfd concept: de ontwikkeling van krachtige lasers die vanop de aarde ‘lichtzeilen’ op minuscule, vederlichte ruimtetuigjes voortstuwen. De minisondes zouden door een raket naar de ruimte gebracht worden. Zodra die zich op 60.000 kilometer van de aarde bevinden, zullen de lasers honderd gigawatt op de lichtzeilen afvuren. De fotonen bewegen dan de sondes voort, net zoals de wind met zeilboten doet. Na tien minuten zouden de ruimtetuigjes al twintig procent van de lichtsnelheid halen. Dat is genoeg om Proxima Centauri, de dichtstbijgelegen ster van Alpha Centauri, in enkele decennia te bereiken. Vervolgens wil Starshot die ster en een exoplaneet in dit sterrenstelsel bekijken. De minisondes zouden dan een signaal naar de aarde terugsturen en daarna hun reis door de melkweg verderzetten.

Het idee stamt uit de jaren 1920, toen de Russische raketwetenschappers Friedrich Zander en Konstantin Tsiolkovski voorstelden de kracht van het zonlicht te gebruiken om een ruimtetuig voort te stuwen. Maar ook enkele ideeën van natuurkundige Philip Lubin (University of California) droegen bij tot Breakthrough. In 2009 woonde hij een conferentie van de Naval Postgraduate School bij, waarop onder meer lasers werden besproken om bedreigingen, zoals aankomende raketten, uit te schakelen. Nog tijdens de conferentie begon Lubin over andere toepassingen te fantaseren. Zou je die technologie ook kunnen gebruiken om de aarde tegen planetoïden te beschermen? Of om een ruimtetuig naar heel verre oorden te zenden? Thuis begon Lubin zelfkritisch te rekenen en concludeerde dat het idee weleens zou kunnen werken. Je zou energie op een naderende ruimterots kunnen richten en een deeltje ervan door verhitting doen verdampen. Dat zou de baan van de planetoïde net genoeg doen verschuiven om de aarde te ontwijken. Waarschijnlijk zou je ook een ruimtetuig op een immense reis kunnen sturen. Voor beide projecten ontving Lubin geld van de NASA.

Na de ontploffing van een meteoroïde bij de Russische stad Tsjeljabinsk in 2013 kreeg Lubins ruimteafweerplan meer aandacht. Tijdens zijn lezingen verkondigde hij dat die technologie ook interstellaire ruimtevluchten zou mogelijk maken. In 2015 hield hij een voordracht op een symposium van 100 Year Starship, een project van de NASA en DARPA. Hij ontmoette er Pete Worden, die naar een geschreven versie van zijn ideeën vroeg. Lubin stuurde hem een routekaart voor interstellaire reizen, waarop Worden antwoordde: ‘Wij begrijpen elkaar. Vindt u het goed dat ik dit aan een vriend bezorg?’ Die vriend was Yuri Milner. Toen Lubin Milner begin 2016 ontmoette, zag hij zijn interstellaire routekaart terug, vol gele kleefnotities. ‘Als kind droomde ik er al van om naar de sterren te reizen,’ zei Milner, ‘u heeft mij nu de weg getoond.’ Milner was bereid om, na een positieve evaluatie door experts, honderd miljoen dollar uit te trekken. Maar daar is niets van gekomen.

Knappe koppen

Vóór de officiële aankondiging van Starshot had Breakthrough nog andere knappe koppen gerekruteerd, onder wie ingenieur Mason Peck (Cornell University), voormalig technisch directeur bij de NASA. En fysicus-luchtvaarttechnicus Kelvin Long (medeoprichter van het interstellaire Project Icarus) had Worden een onderzoeksopzet gestuurd voor een hypothetische ruimtesonde die aan tien procent van de lichtsnelheid kon reizen.

Bij de oprichting van Starshot identificeerde de groep ongeveer dertig problemen die opgelost moesten worden voordat er een interstellaire sonde kon worden weggestuurd. Samen met andere wetenschappers (o.m. van de Australian National University) schreef Worden een hoofdstuk over de beginfase van het project voor het boek Laser Propulsion in Space: Fundamentals, Technology, and Future Missions van Claude Phipps (2024). Volgens dat overzicht kwamen 37 onderzoeksgroepen bijeen om de belangrijkste technologische risico’s te begrijpen en te verminderen. Soms ontvingen ze geld voor hun research, soms niet. Maar Starshot zorgde er wel voor dat mensen met elkaar vergaderden over hun persoonlijke onderzoek naar die problemen.

Sinds begin 2016 organiseert Breakthrough onder de naam Discuss jaarlijks een academische conferentie over ‘leven in de ruimte en vernieuwende ideeën voor ruimte-exploratie’. Die focust niet specifiek op Starshot, maar vaak komen er thema’s aan bod die relevant zijn voor interstellaire missies. De meetings vinden nog steeds elk jaar plaats. Ook in kleinere satellietmeetings werden de voorbije jaren specifieke technologische en wetenschappelijke aspecten van het probleem doorgenomen. Wetenschappers en ingenieurs bespreken er de actuele stand van de technologie, de haalbaarheid om bepaalde problemen op te lossen én iets lanceerbaars te bouwen, en de timing en kosten die hiermee gepaard gaan. De eerste jaren was de opwinding tastbaar, iedereen voelde zich verbonden met een team dat aan een ambitieuze maar doenbare onderneming begon. Ze kenden hun grootste uitdagingen: de vorm van het zeil, de functionaliteit van het lasersysteem, het exacte ontwerp van de ruimtesonde en het bedenken van een communicatietoestel dat van lichtjaren ver signalen naar de aarde kon sturen.

Het heeft immers weinig zin om een ruimtetuig naar een andere ster te zenden als je niet kunt aantonen dat dit is gelukt. Starshot moet dus ook een signaal kunnen uitsturen dat sterk genoeg is om het op aarde te detecteren. Het is een enorme uitdaging om een signaal, van lichtjaren ver, in de juiste richting te zenden – want zowel het ruimtetuig als de aarde zijn in beweging. Bovendien moet de apparatuur in een ruimtetuig ingepast worden dat niet groter is dan twee viltstiftdopjes.

Peck vermoedt dat Milner misschien onrealistische verwachtingen had en videomateriaal of beelden in 4K-resolutie wilde. Peck zou het zelfs al waardevol vinden om één computerbit informatie uit een ander zonnestelsel te ontvangen, bijvoorbeeld een ja- of neen-antwoord op één vraag, zoals ‘is er een bepaald percentage zuurstof in de atmosfeer van de planeet?’ of ‘lijkt de stralings- omgeving geschikt voor leven?’ 

In het boek uit 2024 staat dat het team verschillende manieren had gevonden om de communicatie enigszins haalbaar te maken. Ze zouden een enorme rij kleine ontvangers op aarde kunnen bouwen om zwakke transmissies op te pikken, of ze zouden een grotere zendantenne op de ruimtesonde kunnen voorzien, en informatie in optische vorm doorsturen in plaats van met radiogolven. Het team wilde de informatie ook in de richting van de zon terugsturen: die zou als baken dienen om het juiste gebied aan te wijzen in het immense universum. Voor Long en Manchester blijft het communicatieprobleem echter de ‘olifant in de kamer’, die in de beginfase van het onderzoek te weinig aandacht kreeg.

Fotonmotor

Om de sondes voldoende snel én ver voort te stuwen moet je nog een probleem oplossen: dat van de lasers of de ‘fotonmotor’, zoals de Starshot-mensen dit noemen. De eerste hindernis: via één enkele laser is dit onuitvoerbaar, want die laser zou immens veel krachtiger moeten zijn dan wat er vandaag bestaat. Ze zouden een rij kleinere lasers kunnen ontwikkelen met stralen die samen honderd gigawatt produceren. Daarvoor moeten de lichtgolven met elkaar uitgelijnd worden. ‘Op dat vlak is er fikse vooruitgang geboekt’, zegt Manchester. ‘Dat is al gelukt met tientallen lasers in het lab.’

Maar voor een doorbraak in Breakthrough volstaat dit niet. Hiervoor zijn veel meer lasers nodig, die buiten het lab functioneren én tot ver in het heelal reiken. Dat leidt tot een ander probleem, stelt Manchester: ‘Hoe kun je de straling door de atmosfeer loodsen zonder dat het een knoeiboel wordt?’ Want turbulentie in de bovenste luchtlagen zal een straal doen flikkeren. Dat zou je in real time moeten corrigeren door bijvoorbeeld één ‘gidsende’ laser permanent door de atmosfeer te sturen; de data over de vervorming zou je dan gebruiken om de andere lasers te corrigeren. Maar dat zou miljoenen aanpassingen per seconde vragen. Het is de grootste technische hindernis van het hele project, wordt in het boek uit 2024 gesteld.

Ook financieel vormen de lasers een serieuze horde. Om Starshot haalbaar te maken, moet de kostprijs om de lasers aan te drijven dalen van honderd dollar per watt naar 0,01 tot 0,05 dollar. ‘Waarschijnlijk zal de lancering daarom misschien pas over dertig of veertig jaar gebeuren’, stelt Long. Ook de politiek zal een rol spelen. Een laser met het vermogen van vier energiecentrales is een wapen. De enige optie is internationale samenwerking en vertrouwen – niet meteen een prioriteit in de huidige tijd.

Die laserenergie moet dus het lichtzeil van de miniruimtesonde raken en met zo’n honderd gigawatt voortstuwen. Daarvoor moet het zeil zowel een stevig laserbombardement als een G-kracht van 40.000 (een versnelling 40.000 keer sterker dan de zwaartekracht op aarde) verdragen. Materialen die dergelijke krachten kunnen doorstaan én tegelijk reflecteren, zijn meestal erg zwaar. Starshot dacht hiervoor aan materiaal dat zich vier meter breed uitstrekt maar slechts één gram weegt. De beste kandidaat is siliciumnitride, stellen ze in het boek van 2024, gebaseerd op een publicatie uit 2022 van Harry Atwater en collega’s (California Institute of Technology). Ingenieurs hebben dit materiaal al kunnen maken met een dikte van minder dan één tiende van huishoudfolie.

Met ultradunne wafers van dit materiaal kun je dan een grotere structuur maken met sterk reflecterende eigenschappen. Breakthrough-ingenieurs hebben dat al op een schaal van millimeters klaargespeeld. Atwaters team codeerde ook een computersimulatie om na te gaan hoe verschillende lichtzeilontwerpen tijdens een interstellaire vlucht zouden presteren.

Een andere groep aan de University of Sydney onderzocht manieren om het lichtzeil stabiel te houden. Ze deelden hun bevindingen tijdens meetings in 2021 en 2022, maar kregen nooit geld van Breakthrough. Natuurkundige Michael Wheatland (University of Sydney) heeft nooit in het project geloofd: ‘Maar als je fundamenteel onderzoek kunt verrichten om een probleem in de context van zo’n buitensporig project te proberen oplossen, kun je toch erg nuttige research doen.’

Het team uit Sydney wist dat de laserbundel het zeil tijdens de versnelling constant uit positie zou duwen. Ze moesten dus een manier vinden om dit weer naar het midden te brengen. ‘Maar dat veroorzaakt oscillaties of trillingen’, zegt Wheatland. Het verplaatsen van de laser zou dat kunnen opvangen, maar zoals bij de correcties om het geflikker van de lasers te compenseren, is dat misschien te veel gevraagd.

Het ruimtetuig vormt een andere uitdaging. Het moet zo klein en zo licht mogelijk zijn: een nanocraft, zoals Breakthrough dit noemt. De belangrijkste kandidaat is het geesteskind van Manchester, bij de start van het programma dus nog een jonge student. Zijn prille ontwerpen waren niet bedoeld om voorbij ons zonnestelsel te reizen. Aan de Cornell University begon hij, onder Peck, satellieten ter grootte van een postzegel te ontwerpen, die hij Sprites of ChipSats noemde. In 2014 lanceerde hij, na een crowdfunding, ongeveer honderd ChipSats in de ruimte. Door een storing konden de ChipSats zich echter niet correct opstellen. Bij hun terugkeer in de atmosfeer verbrandden ze.

Na die tegenslag raakte Manchester betrokken bij Breakthrough. Zijn satellietjes leken precies wat het team nodig had. ‘Het idee was dat een versie van mijn ChipSat uiteindelijk aan het lichtzeil bevestigd zou worden’, zegt hij. Officieel werkte hij voor zijn postdoc aan Harvard University niet aan ChipSats. Maar dankzij Breakthrough kon hij dit project in leven houden: ‘Ze waren ontzettend aardig, hielpen me en gaven me wat geld.’ In 2019 kon Manchester zo opnieuw een lancering doorvoeren, dit keer met succes: hij bracht in één keer 105 ChipSats in de ruimte. Hij toonde aan dat ze in staat waren om daar met elkaar te communiceren en als zwerm te opereren. De Amerikaanse overheid stond echter slechts één vlucht toe.

Probleemgebieden

Breakthrough zelf is nog nergens geraakt. Volgens de teams is er technisch niets mis met het basisplan voor de vier probleemgebieden. Ze hebben ook genoeg onderzoek verricht om hun kennis gericht te verbeteren en uit te zoeken welke technische ontwikkelingen nodig waren voor de realisatie van het concept.

Hoogstwaarschijnlijk liep het project ook vertraging op omdat de beloofde honderd miljoen dollar er nooit is gekomen. De Starshot-subsidies zijn niet openbaar gemaakt, maar Lubins ervaring verraadt wel de grootteorde. In acht jaar tijd kreeg zijn groep 196.000 dollar. Sommige collega’s in Australië ontvingen 80.000 dollar. Dat is een pak minder dan de NASA uittrok voor Lubins onderzoek naar gerichte energie voor interstellaire reizen. Maar dankzij de mediagenieke aanpak wist Breakthrough zijn naam wel sterk met het project te verbinden. ‘Breakthrough droeg minder dan vijf procent bij aan de financiering’, zegt Lubin. ‘Maar de publieke opinie denkt wél dat al het geld van hen komt. Dat klopt dus niet.’

Lubin berekende dat Breakthrough in totaal ongeveer 4,5 miljoen dollar heeft uitgegeven aan een dertigtal contracten. Volgens een woordvoerder van de Breakthrough Prize Foundation zou er in het voorjaar van 2025 een rapport over het project verschijnen. Maar op het moment dat dit artikel voor Scientific American in druk ging, was dat er nog steeds niet.

De toekomst van het project blijft vaag. Starshot lijkt voor onbepaalde tijd stil te liggen. Misschien werd het zelfs stopgezet, al is dat nooit officieel meegedeeld. Ook Peck tast in het duister: ‘Voor zover ik kan zien, staat het op pauze,’ zegt hij, ‘waarschijnlijk zal het in de nabije toekomst ook niet verdergezet worden.’

Natuurkundigen Martijn de Sterke en Boris Kuhlmey (Sydney University) vernamen alleen via informele weg dat Breakthrough Starshot gestopt zou zijn. ‘Het project lijkt wel verdwenen’, zegt De Sterke. ‘We hebben al twee jaar niets meer van hen gehoord.’

Sommigen linken het einde van dit project aan het besef dat een echt ‘sterrenschip’ voorlopig buiten bereik blijft, ook al is het technisch haalbaar. ‘Ik denk dat dit nog dertig tot vijftig jaar hard werk en veel gedreven mensen zal vragen’, stelt Lubin. Misschien vond Milner die tijdlijn en het immense budget dat dit zou vergen maar niets. Turner ziet dat anders: hij vergelijkt het met middeleeuwse kathedralen waaraan eeuwenlang werd gebouwd. Tegenwoordig besteden we zelden zoveel tijd aan één project. Dat is volgens Turner het gevolg van de razendsnelle technologische ontwikkelingen. Bij het bouwen van kathedralen is er in tweehonderd jaar niet zoveel aan bogen of dakornamenten veranderd. Maar de technologie waarop onze wereld nu draait is nauwelijks te vergelijken met die van enkele decennia geleden. ‘Je kunt je onmogelijk voorstellen dat ze tweehonderd jaar geleden iets nuttigs hadden kunnen bijdragen aan de belangrijke technische innovaties waaraan we vandaag werken’, zegt Turner. Misschien heeft Breakthrough wel beslist dat Starshot iets voor toekomstige generaties is.

Toch laten veel deelnemers zich positief uit over Breakthrough. Voor Manchester is het op z’n minst een psychologisch succes. Eerst vonden mensen reizen naar andere sterrenstelsels geschift: ‘Maar dankzij Breakthrough ziet de samenleving dit nu als legitiem wetenschappelijk vakgebied.’

Aan het project hebben ernstige mensen meegewerkt en zij hebben serieuze vooruitgang geboekt. ‘De weg naar Alpha Centauri is nog lang, maar wel een stuk korter dan vijf of zes jaar geleden’, besluit Manchester. Het project heeft ook mensen, zoals De Sterke en Kuhlmey, geïnspireerd om zich over fundamentele natuurkundige en technische vraagstukken te buigen die misschien anders geen aandacht hadden gekregen. Misschien zal dat uiteindelijk de nalatenschap van Starshot blijken. ‘Als je Breakthrough in één zin zou samenvatten,’ zegt Lubin, ‘is dat: aandacht vestigen op de droom.’