Het schiereiland A’ Mhòine in het noorden van Schotland is nu een drassige boel, maar het onbewoonde landschap moet de sfeervolle omgeving vormen voor het nieuwste ruimteavontuur. Vanaf 2020 moet hier de eerste commerciële Europese ruimtehaven worden gebouwd.
Space Hub Sutherland, zoals het zal gaan heten, is niet het enige. Groot-Brittannië wil nog een ruimtehaven in Cornwall bouwen, en een Zweeds bedrijf heeft plannen voor een ruimtehaven in het noordelijke Kiruna. Ook India, Indonesië, Singapore, Australië en Nieuw-Zeeland hebben er oren naar. En in de VS – waar er al tien zijn – ligt er nog een handvol ruimtehavens op de tekentafel.
De ruimtehavens zijn mogelijk doordat het technologische doorbraken regent en doordat de prijs voor een ticket naar de ruimte keldert nu ruimtevaartbedrijven met elkaar de concurrentie zijn aangegaan.
112. Zo veel raketten werden er in 2018 vanaf ruimtehavens gelanceerd. Daarmee overschreed het aantal lanceringen voor het eerst in 30 jaar de 100. Als er ruimtehavens bij komen, kan dit aantal nog veel groter worden.
Het kost NASA ruim 17.000 euro om een kilo vracht de ruimte in te krijgen; particuliere ruimtevaartbedrijven houden een kiloprijs rond de 4000 euro aan. Lage prijzen leiden tot meer lanceringen, waardoor er nu files voor de lanceerplatforms staan.
Ruimtehavens benutten aardrotatie
Als er een ruimtehaven op de tekentafel ligt, is de allerbelangrijkste factor zijn komende locatie. De ingenieurs moeten vooral met twee zaken rekening houden: de haven moet in een gebied komen waar raketten een veilige afstand tot de omgeving hebben, en daarnaast is de breedtegraad belangrijk, want die bepaalt tot welke bestemmingen de ruimtehaven toegang geeft.
Verre ruimtereizen beginnen bij de evenaar
Europese ruimtehaven is ideaal voor hogere banen
De voornaamste ruimtehaven van ESA ligt ver van Europa: midden in de jungle van Zuid-Amerika. Op slechts 500 kilometer ten noorden van de evenaar hebben raketten maximaal voordeel van de aardrotatie van 1650 km/h. De ruimtehaven is daarom geschikt voor de lancering van satellieten naar een hoge baan, zoals de geostationaire baan (waar ze de aardrotatie precies volgen), of naar de ruimte, waarbij een sonde het gravitatieveld van de aarde moet verlaten.
Poolsatellieten vertrekken op nieuwe ruimtehaven
Satellieten in een poolbaan trekken over de Noord- en Zuidpool, terwijl de aarde onder ze door draait. Daarmee passeert een poolsatelliet in een etmaal het hele aardoppervlak, wat handig is voor onder meer weersatellieten. De ruimtehaven in Schotland is ideaal voor poolbanen.
Chinese reuzenraketten varen naar platform
De Chinese ruimtehaven ligt vlak bij een jachthaven, dus raketonderdelen kunnen erheen varen. De nieuwe raket Long March 9 van circa 100 meter is zo lang dat vervoer via treinrails en wegen ook geen optie zou zijn.
Bij de bekendste ruimtehaven op aarde, Kennedy Space Center in de VS, zie je die twee factoren terug. Hiervandaan werden de Apollomissies gelanceerd op de krachtigste raket ooit, de Saturnus V. Het gevaarte had een motorvermogen van 33.000.000 newton – ruim 100 keer zoveel als een jumbojet – en was meer dan 110 meter hoog.
Toen deze raket nog in de ontwerpfase was, was het al duidelijk dat er een ruimtehaven voor nodig was die hem aankon. Daarom begon NASA in 1962 land op te kopen op Merritt Island in Florida aan de oostkust van de VS.
Deze locatie werd onder meer gekozen omdat Florida een van de plaatsen in de VS is die het dichtst bij de evenaar liggen. En dat biedt twee voordelen.
De Europese ruimtehaven bevindt zich op ruim 6000 kilometer van het continent, midden in de jungle van Zuid-Amerika. De Europese Ruimtevaartorganisatie ESA runt de ruimtehaven, die vanwege zijn ligging nabij de evenaar gewild is voor zware lanceringen ver de ruimte in.
Ten eerste draait de aarde hier met de maximale snelheid om zijn eigen as. Al stijgt een raket loodrecht op, tegen de tijd dat hij de atmosfeer uit schiet, ligt hij bijna horizontaal. Als een raket geen hoge snelheid heeft in zijn vlucht parallel aan het aardoppervlak, kan hij niet in een baan om de aarde komen maar valt hij naar de aarde toe zodra de motoren uitgaan.
Om in een lage baan rond de aarde te komen, moet de horizontale snelheid circa 28.000 km/h zijn. Bij lancering op de evenaar heeft een raket al vóór de motor aan is een horizontale snelheid van 1650 km/h dankzij de aardrotatie, dus is er minder brandstof nodig om in een baan te komen.
De eerste commerciële ruimtehaven ter wereld, Spaceport America, werd in 2012 gebouwd.
Het tweede voordeel van een lancering op of bij de evenaar is dat die onder een van de meest gewilde banen om de aarde ligt: de geostationaire baan.
Die is erg geschikt voor tv- en communicatiesatellieten, want op die hoogte volgen ze de rotatie van de aarde.
Vanaf de aarde gezien staat een satelliet stil aan de hemel, waardoor schotelantennes het signaal kunnen vasthouden.
Kijk in NASA’s raketgarage
Drie jaar gebouwd aan raketwerkplaats van 3,6 miljoen kubieke meter
De bouw van het VAB begon in 1963 in het kader van het Apollo-programma van NASA. Drie jaar later was het gebouw klaar, en qua volume is het nog steeds een van de grootste gebouwen ter wereld: binnen de vier muren is er 3.664.883 kubieke meter ruimte.
Deuren gaan open in drie kwartier
Het gigantische gebouw was oorspronkelijk bedoeld voor de enorme Saturn V-raket, die rechtop kon worden gemonteerd en naar buiten gereden. De vier ingangen van het gebouw hebben daarom de grootste deuren ter wereld. Ze zijn elk 139 meter hoog en doen er 45 minuten over om open en dicht te gaan.
Maanraket van de toekomst neemt zijn intrek
Op dit moment is het VAB gereedgemaakt om de geplande maanraket van NASA, het SLS, te huisvesten. Hoewel deze raket met 111 meter de grootste raket in de wereldgeschiedenis wordt, is er genoeg plaats onder het 160 meter hoge dak. Het gebouw kan in totaal vier gemonteerde SLS-raketten bevatten.
Een andere populaire baan om de aarde loopt over de polen. Hier vliegen satellieten vele keren per dag haaks op de evenaar over de Noord- en Zuidpool, terwijl de planeet onder ze door draait.
Daarmee gaat de route in 24 uur de hele aarde over. De baan wordt dan ook vaak gebruikt door karterings- en bewakingssatellieten. Ruimtehavens nabij de polen verzorgen doorgaans lanceringen van satellieten naar de poolbaan.
Nieuw type ruimtehaven nodig
De afstanden in de ruimte rond de aarde zijn zo groot dat er miljoenen satellieten in één baan kunnen draaien. Gelukkig maar, want de komende jaren zal het aantal lanceringen naar verwachting explosief stijgen.
Gigantisch voertuig vervoert 5000 ton raketapparatuur
Met hooguit 1,6 km/h heeft NASA’s enorme Crawler Transporter de zenuwslopende rit van de montagehal naar het lanceerplatform afgelegd met de grootste raketten aller tijden op zijn rug.
Stuurtje loodst het voertuig
In de stuurcabine zit een stuurtje met een diameter van 15 centimeter. Daarnaast heeft de bestuurder een knop bij zijn linkerhand voor de snelheid, en rechts zitten meters die de hoogte van het platform aangeven, plus de hoek als hij een helling op of af gaat.
Elektromotoren draaien op diesel
Twee dieselmotoren met wel 5500 pk in totaal leveren energie voor de elektromotoren die de crawler aandrijven. De elektromotoren leveren, anders dan verbrandingsmotoren, altijd dezelfde kracht aan de wielen, of het voertuig nu snel rijdt of niet.
Vering houdt de raket op koers
Kort voor de crawler bij het lanceerplatform is, moet hij een helling met 1,5 meter stijging op. 16 steunen, bestaande uit hydraulisch gestuurde cilinders, houden het platform van het voertuig waterpas, al kan de totale lading wel 5000 ton bedragen.
Tonnen wegende banden hebben grip
Onder elke hoek van het platform zitten twee enorme rupsbanden. Iedere rupsband bestaat uit 57 stevige stalen platen, die elk 950 kilo wegen. Met zijn 456 stalen platen van in totaal 433 ton kan de crawler zijn grip op de weg niet verliezen.
De grootste beperking voor ruimtereizen is het gewicht. De ontwikkeling van steeds meer computerkracht op steeds minder plek heeft ervoor gezorgd dat satellieten vandaag de dag in een schoenendoos passen en meer functionaliteit hebben dan satellieten van pakweg 30 jaar geleden, die honderden kilo’s wogen.
De kleine satellieten, die ‘smallsats’ worden genoemd, kunnen met 100 tegelijk worden gelanceerd. Naarmate de kiloprijs voor het lanceren van apparatuur naar de ruimte daalt, kunnen steeds meer landen en bedrijven een lancering betalen. In november 2018 schatte het analysebedrijf Euroconsult dat er de komende tien jaar tot wel 7000 smallsats gelanceerd worden.
Dat is zes keer zoveel als in de voorgaande tien jaar. Kennedy Space Center en vergelijkbare ruimtehavens zijn gebouwd om een klein aantal grote raketten te lanceren, en ze zijn niet toegerust om het platform snel klaar te maken voor weer een raket.
Ruimtehavens moeten tegenwoordig echter veel kleine lanceringen kunnen bieden, en het bedrijf Rocket Lab heeft zo’n haven gebouwd in Nieuw-Zeeland. Met zijn lichtgewichtraket Electron, die maar 17 meter hoog is en 12,5 ton weegt, hoopt het bedrijf om de twee dagen een exemplaar te kunnen lanceren.
Het private ruimtebedrijf Rocket Lab lanceerde op 11 november 2018 zijn eerste commerciële raket vanaf zijn ruimtehaven op het schiereiland Mahia in Nieuw-Zeeland.
Ingenieurs passen platforms aan
De nieuwe, kleinere lanceerplatforms zijn veel preciezer vorm te geven dan voorheen. Tegenwoordig gebruiken ingenieurs vooral 3D-software om vormen en materialen te kiezen en te testen voor de bouw begint.
Met een computerprogramma kunnen ze berekenen hoe ver de vlammen uit een opstijgende raket slaan per brandstoftype en het gewicht van de raket.
Daardoor kan het platform voor elke lancering aangepast worden, wat ingenieurs hebben benut in het lanceerplatform 39C van Kennedy Space Center. Dit nieuwe platform bevindt zich in het complex waar ook het historische ruimteveer- en Apolloplatform 39A te vinden is.
De enige constructie van het lanceerplatform die permanent is, is een grote betonnen vloer – daarop brengen de ingenieurs per lancering een stel modules van een mobiele set aan.
Als een raket op het grootste lanceerplatform van het Kennedy Space Center zijn motoren start, stroomt er 1,14 miljoen liter water uit 16 kranen verdeeld over het platform. Het water koelt het platform, maar het belangrijkste doel ervan is de schokgolf uit de motoren te dempen, omdat die de raket kan verwoesten en levensgevaarlijk is voor mensen.
Heel belangrijk is de standaard waar raketten voor de lancering op bevestigd worden. Daaronder kunnen ingenieurs een soort vlammenschild plaatsen: een vierkante stalen bak met platen die de vlammen 85 graden naar de zijkant afbuigen, dus haaks van het platform af. Op die manier wordt de betonnen vloer zo veel mogelijk ontzien.
Standaard en vlammenschild rusten op een stalen kleed dat wordt uitgerold en dan bevestigd aan de betonnen vloer. Dit kleed absorbeert de ergste hitte van de raket, zodat de vlammen het platform minimaal beschadigen.
De komst van de reuzenraketten
Naarmate de satellieten en raketten kleiner worden en ruimtehavens flexibeler worden om de ontwikkelingen te kunnen bijhouden, gaat de ruimtevaart tegelijkertijd de andere kant op, want er is ook een nieuwe generatie reuzenraketten in de maak.
NASA legt de laatste hand aan de nieuwe reuzenraket Space Launch System, die een draagvermogen van 130 ton krijgt. Tegelijk ontwikkelt het Chinese ruimteagentschap de raket Long March 9 met 140 ton capaciteit en het bedrijf SpaceX werkt aan het vaartuig Starship, dat met een enorme draagraket ten minste 100 ton kan tillen en volledig kan worden hergebruikt.
Ter vergelijking: de krachtigste raket die momenteel werkt, de Falcon Heavy, krijgt ‘slechts’ 64 ton mee.
Water en sterke armen beschermen raket tegen zichzelf
Een raket brengt zulke krachten voort dat hij uit elkaar zou klappen als het platform hem niet zou beschermen. Een diepe vlammenkuil en miljoenen liters water geven de raket een goede start.
Krachtige armen houden raket vast
Nadat de motoren gestart zijn, houden vier ‘armen’ van elk 18 ton de raket nog enkele seconden vast. Elke arm is sterk genoeg om een jumbojet op volle snelheid tegen te houden. De armen laten de raket volledig synchroon gaan, zodat hij niet scheef trekt.
Platform laat raket langzaam los
Als de raket opstijgt, zit hij nog even vast aan het platform met metalen pennen, die in buisjes op de motor steken. De pinnen worden er langzaam uitgetrokken en houden de acceleratie de eerste 150 mm van de reis beperkt om de raket niet te zwaar te belasten.
Water dempt akoestische schok
Zodra de motoren starten, gaat er een 90 meter hoge watertank open en stroomt er 1,14 miljoen liter water door 16 spuiten verdeeld rondom het lanceerplatform. Het water moet vooral het geluid van de raket dempen, want de schokgolf kan dodelijk zijn.
Vuurvaste klei leidt vlammen weg
Een 12 meter diepe kuil leidt de vlammen weg van de motoren, zodat de hitte de constructie niet schaadt. Een stalen vlammenschild splitst de vlammen in tweeën, waarna ze de kuil in gaan. Dat bestaat uit beton en vuurvaste klei, hittebestendig tot 1775 °C.
Deze krachtige vaartuigen stellen heel andere eisen aan ruimtehavenfaciliteiten. Het oude ruimteveerplatform van NASA, 39A, is momenteel het enige dat de krachten van de Falcon Heavy aankan. Anders dan bij het mobiele platform 39C is de permanente installatie op 39A omringd door krachtige waterkanonnen, die meer dan 1 miljoen liter water onder de raket door spuiten wanneer de motoren worden aangezet.
Dit water is niet bedoeld om het platform onder de raket te koelen, maar om de akoestische schok van de brullende motoren te dempen. Luchtbelletjes in het water die geluidsgolven absorberen, worden samengeperst en verhit, zodat de schokgolf afneemt van ongeveer 200 naar 150 decibel.
Het vuurgat onder het grootste platform van het Kennedy Space Center, 39A, is 13 meter diep en 137 meter lang. In het midden, vlak onder de raketuitlaat, zit de deflector, die de vlammen naar weerszijden afbuigt.
Die hevige drukgolven zijn niet alleen levensgevaarlijk voor mensen, maar kunnen ook de raket zelf schaden wanneer het platform ze terugkaatst. 150 decibel is het geluid van een straalvliegtuig op 25 meter afstand – je trommelvliezen gaan eraan, maar je gaat er niet dood van.
Ruimtereis begint horizontaal
Een derde nieuwe tendens op het gebied van ruimtehavens zijn de horizontale start- en landingsbanen zoals we ze kennen van een gewone luchthaven. Spaceport America in de VS voert er tests mee uit, en het idee trekt bedrijven die ruimtetoeristen een snelvlucht naar 100 kilometer hoogte willen aanbieden: de officiële grens met de ruimte.
In 2018 testte Virgin Galactic zijn SpaceShipTwo, bestaande uit een vliegtuig en een raketgedreven ruimtevaartuig. Het vliegtuig stijgt op als ieder ander toestel naar circa 15 kilometer hoogte. Hier koppelt het ruimtevaartuig af en gaat de raketmotor aan om een snelheid van meer dan 1000 km/h in nog geen 8 seconden te bereiken.
De bijzondere vleugels van SpaceShipTwo kunnen uitklappen, zodat ze in een hoek van 90 graden ten opzichte van de romp staan wanneer het vliegtuig aan de afdaling in de atmosfeer begint. Daardoor remt het toestel stabieler. Later klappen de vleugels weer terug, zodat het vliegtuig terug naar de landingsbaan kan zweven.
Daarna gaat die versnelling nog 62 seconden door. De topsnelheid van de raket is 4200 km/h, waarna de motor uitgaat en het vaartuig de rest van de vlucht aan de andere kant van de zogeheten Kármánlijn – 100 kilometer hoog – zwevend aflegt. Het moederschip en het raketvaartuig keren ieder voor zich terug naar de ruimtehaven en landen daar als een vliegtuig.
SpaceShipTwo krijgt plaats voor twee piloten en zes passagiers.
Ruimtetoerisme is in opkomst
Als NASA zijn Kennedy Space Center in de toekomst gaat uitbreiden, komen er ook vlakke landingsbanen, maar met een twist. De ruimtevliegtuigen krijgen geen wielen, maar worden weggeschoten op een baan met een elektrisch geleidend spoor. Voordat het toestel opstijgt en de scramjetmotoren het overnemen, maakt het flinke snelheid.
Slinger moet vaartuigen de ruimte in krijgen
Het systeem Slingatron bestaat uit een buis in een spiraalvorm. De hele constructie wordt met 60 omwentelingen per minuut rondgedraaid.
Een ruimtecapsule gaat de buis in en versnelt naar buiten toe onder invloed van de middelpuntvliedende kracht, tot hij een snelheid van 25.000 km/h bereikt.
De capsule eindigt in een lang recht stuk dat naar boven loopt, en schiet naar de ruimte. Zijn aerodynamische vorm gaat de hitte tegen die ontstaat door de luchtweerstand.
Een gewone straalmotor zuigt lucht aan de voorkant aan en perst die met behulp van turbines samen, waarna hij ontstoken wordt en er aan de achterkant met grote kracht uit schiet. In een scramjetmotor wordt de lucht in de motor vanzelf samengeperst vanwege de hoge snelheid. Daardoor kan het vliegtuig snelheden van tien keer de geluidssnelheid bereiken en zo de ruimte in komen.
Aan de horizontale opstijgtechnologieën zit het grote voordeel dat ze op veel plaatsen op aarde een plekje kunnen krijgen, ook op de al bestaande luchthavens.
Deskundigen zien ruimtehavens steeds meer geïntegreerd worden in grote steden, net als de huidige luchthavens. De extreem snelle vaartuigen die in ontwikkeling zijn en die naar de ruimte kunnen, zullen op enig moment worden gebruikt om van continent naar continent te vliegen – via de ruimte. Dat kan veel tijd besparen, onder andere doordat er meer plaats is in de ruimte en de luchtweerstand er veel geringer is.
Met Space Hub Sutherland zet Europa nu de eerste stap om deel te gaan uitmaken van het wereldwijde netwerk van ruimtehavens dat vorm krijgt, waar op de vertrekborden bestemmingen staan aan de andere kant van de aarde – en weg van de planeet.