Antimaterievoortstuwing, laserlancering, zonnezeilen, ionenvoortstuwing. Het zijn baanbrekende concepten voor voortstuwing in de ruimte of lancering vanaf de aarde. Als de mens zijn vleugels verder in de ruimte wil uitslaan, volstaan klassieke chemische raketten bij lange na niet. Ze bevatten te weinig stuwstof en zijn te zwaar. Waar antimaterieruimteschepen niet meer dan zinnenprikkelende toekomstmuziek zijn, is ionenvoortstuwing inmiddels al werkelijkheid geworden.
Dit artikel is verschenen in De Ingenieur, augustus 2003
Sneller, hoger, sterker, zo luidt het Olympische motto. Het zou zo kunnen slaan op de zoektocht naar baanbrekende ideeën voor voortstuwing in de ruimte. Twintig jaar na zijn lancering in 1977 stond de Voyager 1 op een kleine zeventig maal de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon. Met ruim zeventien kilometer per seconde reist het toestel door ons zonnestelsel. Een prachtprestatie. Toch zou deze relatieve slakkengang de Voyager pas over 74.100 jaar bij de dichtstbijzijnde buurster brengen. Dat schiet niet op.
Een ruimtevlucht kent grofweg twee fasen. Allereerst de lancering vanaf de aarde. Hierbij moet de stuwkracht groter zijn dan het gewicht van de raket (in het algemeen een factor 1,1-1,4). Voor de tweede fase, de vlucht door de ruimte buiten de aardatmosfeer, is in principe een kleine stuwkracht voldoende voor een koerswijziging, maar voor verre vluchten binnen een aanvaardbare tijd, is een grote stuwkracht gewenst. Voor beide fasen is momenteel de chemische raketvoortstuwing standaard.
Om ons eigen zonnestelsel beter te verkennen, en vervolgens wellicht de exotische buitengebieden, hebben we echter fundamenteel nieuwe voortstuwingsconcepten nodig. Die moeten ons bereik verruimen en daarnaast – en dat zijn de aardsere en praktischere doelen – de controle over een ruimtevaartuig vergroten en zowel de massa als de kosten reduceren. Bij een huidige missie gebaseerd op chemische voortstuwing neemt stuwstof (de door de raket uitgestoten stof) 85 tot 95% van de massa voor zijn rekening. Bij de lancering van de Space Shuttle is dat 95%, zo’n 1,9 miljoen kilogram. Het vermogen dat de Space-Shuttlemotoren bij de start genereren is gigantisch: veertig gigawatt, ofwel veertig middelgrote energiecentrales.
De stuwstofmassa moet zo groot zijn omdat de uitstroomsnelheid van de stuwstof beperkt is tot ruim vier kilometer per seconde. De stuwkracht neemt evenredig toe met de massa-uitstroom en de uitstroomsnelheid. Liefst moet de uitstroomsnelheid dus zo hoog mogelijk zijn, want meer massa meenemen kost weer meer energie. Huidige missies zijn sterk beperkt door de hoeveelheid massa die een vaartuig kan meenemen, en de voortstuwingskracht. Voor een retourtje Mars in twee maanden hebben we snelheden van honderd tot duizend kilometer per seconde nodig, een factor tien tot honderd meer dan de snelheden bij huidige missies. Met conventionele chemische voortstuwingstechnieken kunnen ruimtevaartuigen deze snelheden niet bereiken.
Voortgeduwd door de zon
Een van de fundamenteel andere concepten van voortstuwing in de ruimte is het zonnezeil. Een zonnezeil is een groot, flinterdun reflecterend plastic zeil dat wordt voortgeduwd door de impuls van de lichtdeeltjes (fotonen) afkomstig van de zon. “Net zoals de wind een zeilboot voortduwt, zo duwt zonlicht een ruimtevaartuig met een zonnezeil voort”, zegt ingenieur Franz Burger, die bij ESTEC in Noordwijk – het technische onderzoekscentrum van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA – werkt aan de ontwikkeling van zonnezeilen. Het idee stamt al uit de jaren zestig, maar de concrete ontwikkeling vindt pas de laatste jaren plaats.
Zonnezeilen maken klassieke stuwstoffen weliswaar geheel overbodig, de stuwkracht is ook extreem laag: ongeveer tien miljoenste newton per vierkante meter zonnezeil. De verhouding tussen stuwkracht en gewicht – een belangrijk concept in alle voortstuwingstechnieken – is een honderdduizendste tot een tienduizendste. De stuwkracht mag dan wel klein zijn, de zon blijft het zeil wel voortdurend duwen. En terwijl de gewone zeilboot weerstand van water en wind ontmoet, heeft de zonnezeilboot in de bijna-vacuümruimte geen last van luchtweerstand.
De zonnezeilboot kan uiteindelijk wel negentig kilometer per seconde halen: tienmaal zoveel als van de Space Shuttle in zijn baan rond de aarde. Het zonnezeil kan ook extra duwtjes krijgen van een laser. Misschien is zo wel een snelheid van eentiende van de lichtsnelheid haalbaar. Hoe verder een zonnezeilboot van de zon vandaan reist, hoe kleiner de duwtjes door de zonnefotonen worden. De methode lijkt daarom vooral geschikt voor missies relatief dicht bij de zon. Zonnezeilen zijn pas geschikt als het ruimtevaartuig al in de ruimte is. Voor de lancering is het geheel ongeschikt. Dat betekent ook dat het zonnezeil bij de lancering in een zo klein mogelijke doos ligt opgevouwen en pas in de ruimte wordt ontvouwen.
Zowel het vinden van een geschikt ultralicht en toch sterk materiaal voor het zonnezeil, als het bedenken van een geschikte manier om het zonnezeil in de ruimte uit te vouwen vormen grote technische uitdagingen. Hoe ontvouw je in de ruimte, zonder menselijke hulp, een zeil van op zijn minst veertig bij veertig meter, dat opgevouwen ligt in een kubus met zijden van zestig centimeter? “Dat is geen sinecure”, zegt Burger. “In 1999 heeft ESA samen met de Duitse ruimtevaartorganisatie DLR voor het eerst een succesvolle gronddemonstratie gedaan van het ontvouwen. We gebruikten een kaptonfolie (een soort polyamideplastic) van 7,5 micrometer dik. Voor een werkend zonnezeil in de ruimte is dat nog steeds te dik, maar naast het verbeteren van de materialen moeten we ook de techniek van het ontvouwen onder de knie krijgen. Per definitie zijn deze extreem lichte zeilen moeilijk beheersbaar op aarde. Dit soort zeilen zijn extreem plakkerig en ze raken hier op aarde snel elektrostatisch geladen.”
Uiteindelijk moet het zonnezeil een dikte van 0,2 tot 0,5 micrometer gaan krijgen. De materiaalontwikkeling gebeurt voornamelijk in de VS, met het bedrijf Du Pont als een belangrijke industriële partner. ESA werkt vooral aan ontvouwing van het zonnezeil, opblaasbare structuren, lichtgewicht ondersteunende structuren voor het zonnezeil (vergelijkbaar met de dwarslatjes bij een vlieger) en aan boordelektronica voor de ultralichte satelliet die uiteindelijk met een zonnezeil door de ruimte gaat reizen.
“Een verkennende missie zou bijvoorbeeld eenvoudige meetinstrumenten kunnen meenemen in een baan rond de polen van de zon”, aldus Burger. “Over drie jaar moet een gedetailleerd ontwerp van een zonnezeil gereed zijn. Omdat Russische lanceringen momenteel het goedkoopst zijn, is het huidige plan het eerste zonnezeil te laten meevliegen met een lancering vanaf een Russische onderzeeër. Die techniek werd uiteraard in eerste instantie voor militaire doeleinden ontwikkeld.”
Snelle ionen
In de sciencefictionfilm 2001: A Space Odyssee wordt het ruimteschip Discovery aangedreven door een elektrische voortstuwing. Toch is dit principe, in tegenstelling tot bijvoorbeeld antimaterievoortstuwing (zie kader), inmiddels geen sciencefiction meer. In het testlaboratorium van ESTEC klinkt het doffe geluid van vacuümpompen in actie. Drie vacuümkamers testen hier diverse typen van elektrische voortstuwing in de ruimte, waarvan de ionenmotor de bekendste is. De Italiaan Giorgio Saccoccia is hoofd van de afdeling voortstuwing en aërothermodynamica bij ESA en legt het idee uit. “Elektrische voortstuwing is het huidige sleutelconcept voor de nieuwe generatie van commerciële en wetenschappelijke satellieten. In essentie gebruiken we elektrische kracht voor het versnellen van een geladen deeltjes. In plaats van dat de reactiekracht ontstaat door de gerichte expansie van een heet gas onder hoge druk, ontstaat de voortstuwende reactiekracht door versnellingen in een elektrisch veld.”
Vergeleken met chemische voortstuwing gebruiken de elektrische systemen weinig massa om een ruimteschip te versnellen. De gebruikte gassen zijn veelal edelgassen zoals xenon en argon of vloeibare metalen als cesium of indium. Een ionenmotor schiet ionen zo’n twintig maal sneller weg dan een klassieke chemische voortstuwing doet met het hete gas. Elektrische voortstuwing is niet beperkt in energie, alleen in het realiseren van voldoende elektrisch vermogen. Deze methode is zeer geschikt voor lage voortstuwingskrachten en voor zeer langdurige voortstuwing. De lage voortstuwende kracht maakt ook een zeer precieze positiecontrole mogelijk wat zeker voor diverse wetenschappelijke missies, zoals het in de ruimte meten van zwaartekrachtgolven, een voorwaarde is (zie kader).
Elektrische voortstuwing werkt als een eenvoudige geladen-deeltjesversneller. In een kamer krioelen geladen deeltjes: een geïoniseerd, positief geladen gas en negatief geladen elektronen. Aan het uiteinde van de kamer bevindt zich een rooster, dat wordt geladen met de negatief geladen elektronen. De positieve ionen versnellen vervolgens richting het negatief geladen rooster. Of, je kunt ook zeggen dat het rooster, en daarmee het ruimteschip, een versnelling ondervindt. Sommige ionen raken het rooster, maar de meeste passeren door de gaten en verdwijnen met grote snelheid in de ruimte. De benodigde energie om het elektrisch veld op het rooster aan te brengen, kan geleverd worden door zonnepanelen of door een nucleaire bron. Omdat elektrische voortstuwers zo weinig materiaal nodig hebben, kunnen ze jaren doen met de aan boord aanwezige brandstof. Belangrijkste nadeel is de relatief lage voortstuwende kracht vergeleken met chemische voortstuwing. Het duurt dus veel langer om een bepaalde snelheid te bereiken. Hoge versnellingen zijn onmogelijk.
De belangrijkste toepassing van elektrische voortstuwing in de nabije toekomst is voor geostationaire telecommunicatiesatellieten. De techniek wordt gebruikt om de satelliet van zijn beginbaan rond de aarde in zijn eindbaan te brengen en vervolgens om hem ook in een precieze eindbaan te houden, tegen allerlei storende factoren in. Saccoccia vertelt hoe de door ESA in 2001 gelanceerde Artemis-telecommunicatiesatelliet als gevolg van een fout bij de lancering eerst in een verkeerde baan om de aarde terechtkwam. “Gelukkig had deze satelliet een ionenmotor aan boord. Ondanks de kleine voortstuwende kracht van zo’n vijftig millinewton, lukte het de satelliet om in een jaar tijd terug in de goede geostationaire baan te geraken. We hebben die ionenmotor trouwens hier getest.”
Elektrische voortstuwing reduceert de massa bij de lancering met twintig procent, wat commercieel uiteraard erg aantrekkelijk is. “Koppeling van elektrische voortstuwing met bijvoorbeeld nucleaire energieopwekking moet op termijn de verdere verkenning van het zonnestelsel en daarbuiten mogelijk maken”, zegt Saccoccia. Versnellingen zijn weliswaar klein, maar als ze maar lange tijd aanhouden, kan een ruimteschip met gemak grote afstanden afleggen. Uiteindelijk kan de ionenmotor de tijd voor interplanetaire ruimtereizen flink gaan beperken, omdat een ver weg in ons zonnestelsel gelegen eindbestemming toch sneller bereikt kan worden dan met de klassieke chemische methode.
Laserlancering
Zonnezeilen en ionenmotoren zijn alleen geschikt in de ruimte; niet voor lancering. Toch bestaat er ook voor de raketlancering een prachtig baanbrekend concept. Een satelliet lanceren met een superlaser in plaats van met een chemische raket. In principe kan dat, als de satelliet maar licht is.
Een laserlancering is duizenden malen lichter en efficiënter dan de lancering van een chemische raket. Het idee is dat een parabolische spiegel aan boord van een klein en lichtgewicht ruimtevaartuig de krachtige laserlichtstraal ontvangt en samenbundelt naar een ruimte met lucht of een ander gas, de absorptiekamer. De lucht raakt vervolgens zo sterk verhit dat ze explodeert. Het gaat om temperaturen tussen tienduizend en dertigduizend graden Celsius, heter nog dan het zonneoppervlak. Bij deze temperatuur bevindt de lucht zich in een plasmatoestand. De kracht van de explosie stuwt het ruimteschip voort. De kracht is zo groot dat hij zelfs voor een lancering vanaf de aarde kan worden gebruikt. Als de buitenatmosfeer te ijl is om voldoende lucht te leveren, biedt aan boord meegenomen waterstof uitkomst. De krachtige lasers zijn een spin-off van het begin jaren tachtig geïnitieerde, maar nooit voortgezette StarWars-defensieprogramma van de toenmalige president van de VS, Ronald Reagan.
Laserlancering is toepasbaar voor lichte ruimtevaartuigen. Vóór de lancering zorgt een stroom van samengedrukte lucht er eerst voor dat het ruimtevaartuig met zo’n tienduizend omwentelingen per minuut gaat rondtollen. Dat rondtollen stabiliseert het ruimteschip tijdens de lancering. Als het toestel eenmaal met de optimale snelheid rondtolt, wordt de laser ingeschakeld. In een mum van tijd schiet het vaartuig de lucht in.
“Een nog onopgelost probleem is hoe je met een laserstraal vanaf de aarde het ruimteschip voldoende kunt sturen”, zegt Saccoccia. “Maar de methode heeft al een aantal succesvolle tests achter de rug.” Het principe van laservoortstuwing werd in 2000 aangetoond met een tien kilowatt-gepulste laser. Een krachtige laserstraal lanceerde het lichtgewicht toestel van slechts vijftig gram tot een hoogte van 71 meter. Om een toestel van een kilogram in een lage baan rond de aarde te schieten, is echter een laser met een vermogen van een megawatt nodig. En zelfs een gigawattlaser voor nog zwaardere satellieten.
Moeilijke tijd voor nieuwe concepten
“Er bestaan weliswaar vele fancy voortstuwingsconcepten, maar uiteindelijk komt het voor de daadwerkelijke ontwikkeling toch niet alleen aan op techniek”, zegt Saccoccia. “Belangrijk is hoe goedkoop een technologie wordt en hoeveel er commercieel mee wordt verdiend. Ionenvoortstuwing kan veel geld besparen. Deze techniek ontwikkelen we dus sterk.”
Vanuit ingenieursoogpunt vindt de Italiaanse ESA-onderzoeker nucleair-elektrische en nucleair-thermische voortstuwing het meest veelbelovend voor de komende twee decennia. “Het probleem is natuurlijk het negatieve beeld dat het grote publiek heeft van alles wat met kernenergie te maken heeft. Maar ik ben ervan overtuigd dat het inzetten van kernenergie bij voorstuwing volledig veilig kan gebeuren.”
In nucleair-elektrische voortstuwing wordt de warmte van een kleine kernreactor omgezet in elektrische energie die bijvoorbeeld een ionenmotor voedt. Zonnepanelen, die nu veel worden gebruikt om elektrische energie te genereren, leveren maar een beperkt vermogen. Een nucleair-elektrische reactor kan een hoger vermogen leveren, terwijl toch de reactorafmetingen beperkt blijven. Deze voortstuwing wordt noodzakelijk voor missies verder dan Mars, waar de zonne-intensiteit te laag is voor het gebruik van zonnecellen.
Alle fantastische, tot de verbeelding sprekende ideeën ten spijt, maakt het onderzoek naar baanbrekende voortstuwingsconcepten momenteel een moeilijke tijd door. Saccoccia: “Eigenlijk wordt er alleen maar geld uitgetrokken voor concepten waarvan we met een grote mate van waarschijnlijkheid weten dat we ze werkelijk de komende jaren kunnen toepassen. Dat geldt voor zowel ESA als NASA.” Zo besloot NASA in 2002 niet verder te gaan met de financiering van het in 1996 gestarte Breakthrough Propulsion Physics Project, een project dat wetenschappers de gelegenheid gaf hun gedachten over voortstuwing in de ruimte de vrije loop te laten, zonder meteen op allerlei financiële en praktische belemmeringen te letten.
