We leggen de geschiedenis en basisprincipes van railguns uit, behandelen de verschillen tussen sciencefictionfilms en echte railguns, hoe de technologie is geëvolueerd en verkennen hun huidige bruikbaarheid.
Een gigantische, monsterlijke robot bestaande uit verschillende auto's beklimt een piramide. Amerikaanse soldaten op zee kijken in de verte toe en vuren een gigantisch laserkanonachtig wapen af vanaf hun schip. Kort daarna wordt het monster geraakt door de laser en wankelt op de grond. Je herkent deze scène misschien uit de film Transformers: Revenge of the Fallen. Het wapen dat in de film op een laserkanon lijkt, is eigenlijk een railgun. Als je ooit een sciencefictionfilm of -game hebt gezien, heb je waarschijnlijk al eerder van railguns gehoord, maar in de meeste media worden ze vaak anders afgebeeld. Laten we eens kijken hoe railguns worden gemaakt en wat ze eigenlijk doen.
Railguns hebben een zeer lange geschiedenis. In 1920, bijna 100 jaar geleden, diende de Amerikaan Willeff patent in voor een railgun. Het idee werd destijds alleen voorgesteld, maar vanwege technische problemen nooit daadwerkelijk gebruikt. Later, tijdens de Tweede Wereldoorlog, ontwikkelden de nazi’s feitelijk een wapen dat gebruik maakte van een railgun, maar de oorlog eindigde voordat het in de praktijk kon worden gebracht. De ontwikkeling van de railgun is sindsdien voortgezet, en relatief recentelijk heeft het Amerikaanse leger met succes een railgun getest, wat aangeeft dat deze in het veld zal worden ingezet. Als zodanig symboliseren railguns al lang een revolutionaire vooruitgang in militaire technologie.
Met zo'n lange onderzoeksgeschiedenis vraag je je misschien af of railguns gebaseerd zijn op een gekke theorie die voor de gemiddelde persoon moeilijk te begrijpen is. Niet echt. Het basisprincipe van de railgun zoals Willebrand ruim 100 jaar geleden voor ogen had, is zo eenvoudig dat hij er niet veel anders uitziet dan een moderne railgun. Stel je een model voor dat je misschien in een natuurkundeboek op de middelbare school hebt gezien: twee draden naast elkaar, elk met een elektrische stroom die in tegengestelde richtingen vloeit. Wat gebeurt er als je een dun staafje ijzer, dat vrij kan rollen, bovenop de draden legt? Het komt erop neer dat de ijzeren staaf over de rails van de draden zal rollen.
Deze situatie kan worden verklaard door elektromagnetische inductie. Denk eerst aan de rechterhandregel van Fleming. Er stroomt stroom door de twee draden, en de wet van de rechtse schroef creëert een magnetisch veld dat zich om elke draad wikkelt. In het midden van de twee draden wordt een magnetisch veld loodrecht op de grond gevormd. Omdat de stroom in de twee draden in tegengestelde richtingen vloeit, heffen de magnetische velden van de twee draden elkaar in het midden niet op, maar werken ze in dezelfde richting en worden ze sterker. Met andere woorden, er is een sterk magnetisch veld loodrecht op de aarde tussen de twee draden. Laten we nu de twee draden als rails gebruiken en er een staaf bovenop plaatsen. Er is een spanningsverschil tussen de twee draden, waardoor er een elektrische stroom langs de staaf vloeit.
Nu is het tijd om na te denken over de Lorentzkracht. Als de richting van de stroom en het magnetische veld loodrecht staan, zal de draad waardoor de stroom vloeit een kracht ervaren in de richting loodrecht op zowel de stroom als het magnetische veld, wat de Lorentz-kracht is. In de bovenstaande situatie vloeit er stroom door de staaf en staat het magnetische veld van de draden aan weerszijden ervan loodrecht op de grond, die ook loodrecht op de staaf staat. Daarom wordt de staaf in een richting loodrecht op zowel de stroom als het magnetische veld gedwongen, waardoor deze langs de rail rolt. Dit is hetzelfde principe met een railgun. Het enige verschil is dat je de draad vervangt door een zeer grote en sterk bekrachtigde rail, en in plaats van een staaf gebruik je een gigantische metalen kogel.
Hoewel het principe van de railgun eenvoudig is, waren er veel technische uitdagingen om het te realiseren. De hoge stromen vereisen geavanceerde technieken voor energiebeheer, en het effectief beheersen van de hitte die wordt gegenereerd door het afvuren van kogels met hoge snelheden was ook een groot probleem. Om deze uitdagingen aan te pakken, hebben wetenschappers nieuwe materialen onderzocht, zoals supergeleiders, en verschillende methoden ontwikkeld om boogontladingen te voorkomen. Dit proces bracht talloze mislukkingen en successen met zich mee die uiteindelijk leidden tot de huidige railgun-technologie.
Tien jaar geleden werden railguns beschouwd als sciencefiction. Tegenwoordig zijn ze zo dicht bij de realiteit dat het Amerikaanse leger overweegt ze in te zetten. Dit betekent niet alleen de ontwikkeling van een nieuw wapen. In feite heeft de ontwikkeling van de railgun de bestaande technologische beperkingen overwonnen en verschillende technologieën gebruikt, zoals supergeleiders en boogbescherming, wat betekent dat vooruitgang in wetenschap en technologie onze verbeeldingskracht kan verwezenlijken. Met de railgun als precedent kijken we uit naar de dag waarop technologieën die momenteel als fantasievol worden beschouwd werkelijkheid zullen worden. Wetenschap en technologie evolueren voortdurend, en daarmee zal de mensheid nog verbazingwekkender dingen bereiken. De railgun is nog maar het begin.
