This article was written for the course Science Communication and Journalism 2024.

Blijft kunstmatige zwaartekracht iets voor sciencefictionfilms?

By Wiegert Kaal

Ruimteschepen in films komen voor in allerlei soorten en maten. Soms reizen ze tussen planeten, sommigen tussen zonnestelsels en anderen zelfs naar plekken ver buiten de Melkweg. Maar toch hebben ze vaak één ding gemeen: in de ruimteschepen loopt iedereen net zo makkelijk rond als ze hier op aarde zouden doen. Hoe lang duurt het nog voor wetenschappers ruimteschepen met kunstmatige zwaartekracht gaan bouwen?

Ze tuimelen altijd maar wat rond, die astronauten in hun ruimtestations. Zo gaat het althans altijd op de beelden die we op aarde te zien krijgen. Logisch, want ze zweven gewichtloos in hun schip. Dit beeld is volgens Wouter Laauwen, ingenieur bij SRON, de laatste jaren weinig veranderd, aangezien zijn hoogtepunt van de bemande ruimtevaart nog steeds het in 1998 gelanceerde internationale ruimtestation ISS is. “Daar wordt daadwerkelijk onderzoek gedaan, vanuit de ruimte,” legt hij uit. Maar beelden van astronauten die met gewichtloosheid kampen kunnen binnenkort weer spannend gaan worden: in 2025 wil de Amerikaanse organisatie NASA een bemande vlucht rond de maan maken, wat volgens hen de volgende stap is naar een langdurig verblijf op de maan door mensen. Het Amerikaanse bedrijf SpaceX zegt zelfs dit jaar nog naar Mars te gaan.

Dit zullen lange ruimtevluchten zijn, die niet alleen iets vragen van de raket, maar ook van de bemanning, die met dat gebrek aan zwaartekracht te kampen heeft. Hiervoor krijgen ze natuurlijk training in omgaan met gewichtloosheid, maar op aarde zijn dat slechts korte periodes van 20 tot 24 seconden. Dit valt in het niet bij hoe lang de astronauten gewichtloos zullen zijn op weg van Aarde naar Mars: volgens schattingen op space.com wordt de reistijd ongeveer anderhalf jaar.

En dat geeft gezondheidsproblemen. Want zonder de zwaartekracht van de aarde breken de spieren en botten van astronauten langzaam af. Janani Iyer, onderzoeker bij onder andere USRA-projecten, vertelt op de USRA-website dat het ook een risico kan vormen voor het centrale zenuwstelsel. Een deel van deze problemen wordt nu opgelost door de astronauten regelmatig krachtoefeningen te laten doen terwijl ze in gewichtloosheid verkeren.

Maar als we zwaartekracht zouden kunnen nabootsen in de ruimte, dan verdwijnen deze problemen. Als zoveel sciencefiction inmiddels al werkelijkheid is geworden met onder andere jetpacks, robot-obers en klonen, waarom dan niet een keer de kunstmatige zwaartekracht die altijd in films te zien is? Daar wandelen astronauten immers gewoon door gangen en zitten ze op bankjes en in stoelen – allemaal probleemloos.

Er zijn veel verschillende vormen van gesimuleerde zwaartekrachttechnologie, maar de meest gebruikte variant is ook meteen het minst realistisch. In deze variant, gebruikt in onder andere de Star Wars en Star Trek series, wordt de zwaartekracht gegenereerd door iets in het schip zelf, wat weinig verband houdt met de natuurkundewetten zoals wij die kennen. Volgens deze wetten wordt de aantrekkingskracht tussen twee objecten bepaald door de afstand tussen de objecten en hun gewicht: hoe groter de massa en hoe kleiner de afstand, hoe groter de aantrekkingskracht. Als je wil dat de bodem van een ruimteschip van ongeveer 15 meter hoog dezelfde aantrekkingskracht heeft als de aarde, zou je een gewicht onder het schip moeten plaatsen dat vergelijkbaar is met het gewicht van een tiende van de Mount Everest. En dat is aangenomen dat dit gewicht samengeperst kan worden tot een plak van een paar meter dik. Aangezien we niet de technologie hebben om een materiaal te maken dat aan deze eisen voldoet, noch de brandstof om dit de ruimte in te krijgen, is dit geen realistische methode.

Er zijn daarentegen ook manieren om zwaartekracht na te bootsen die theoretisch wel mogelijk zijn. De kans is zelfs groot dat je ze zelf al eens ervaren hebt, op kleine schaal.

De eerste manier wordt gebruikt in de ruimteschepen in bijvoorbeeld de televisieserie ‘The Expanse’. Door een ruimteschip constant te laten versnellen, voelen mensen dezelfde kracht die je naar achteren trekt als je snel optrekt in een auto, of je naar voren trekt als je plotseling remt. Dat kan dus ook fungeren als zwaartekracht.

Het nadeel van deze methode is dat je genoeg brandstof mee moet nemen om de hele reis te kunnen versnellen, en aan het einde van de rit ook weer af te kunnen remmen. Op hun website legt NASA uit dat om een raket in een baan om de aarde te krijgen al ongeveer 90% van het gewicht van de raket bestaat uit brandstof. Als je de hele reis ook nog eens extra brandstof moet verbruiken, en al deze extra brandstof ook nog eens verplaatst moet worden, kun je je wel voorstellen dat er ongelofelijk veel brandstof mee moet.

Een andere methode om zwaartekracht kunstmatig te genereren is de middelpuntvliedende kracht die bijvoorbeeld in het ruimteschip in de film ‘Interstellar’ wordt gebruikt. Dit is de kracht die je vaak ervaart in attracties in pretparken, als je in een looping zit of hard wordt rondgedraaid. Om in een cirkel te bewegen duwt de ondergrond je steeds een beetje weg van de rand van de cirkel. Daardoor ontstaat er een schijnkracht: het lijkt net alsof dingen naar de rand van de cirkel worden getrokken alsof er zwaartekracht is, terwijl het eigenlijk de vloer is die steeds omhoog komt.

Helaas heeft ook de middelpuntvliedende kracht zo zijn nadelen. Je wordt door de vloer niet alleen weg van de rand ‘omhoog’ geduwd, maar ook naar voren bewogen. Hierdoor lijkt het alsof dingen die opzij bewegen van richting veranderen, terwijl ze eigenlijk rechtdoor gaan. Om terug te keren bij de pretparkattractie: als je iets uit het karretje zou gooien in een achtbaan, zou het ook net lijken alsof het afbuigt naar achteren. “Met hoge rotatiesnelheden kan zelfs het uitsteken van je hand om iets te pakken resulteren in een schijnkracht die je hand wegduwt,” legt Scott Manley, amateur-specialist in ruimtetechnologie, uit op zijn YouTube-kanaal.

Hoewel kunstmatige zwaartekracht niet onmogelijk is, brengt het dus veel uitdagingen met zich mee. Het is dan ook maar de vraag of deze technologie zal worden toegepast. Het langste verblijf in de ruimte is op dit moment al meer dan 900 dagen – ruim twee jaar, en dus al langer dan de anderhalf jaar die nodig is voor een enkeltje Mars. De spier- en botmassa van de astronauten kan dus voldoende in stand worden gehouden met bestaande apparatuur en trainingen om de reis naar Mars te halen. Hoewel NASA nog af en toe nog experimenteert met artificiële zwaartekracht, is sinds het instituut begon met deze experimenten in de jaren 50 telkens gebleken dat andere methodes goedkoper of praktischer waren. Volgens Wouter Laauwen, de SRON-ingenieur, is deze technologie dan ook voorlopig overbodig: “Ik denk dat het met kunstmatige zwaartekracht makkelijker is om geestelijk en fysiek gezond te blijven, maar het lijkt niet per se nodig om aan te bieden.”