Raketopsendelse

Nieuwe raket verslindt zichzelf tijdens de ruimtereis

Een nieuwe raket stuwt zichzelf voort door onderweg zijn eigen romp te verbruiken. Zware brandstoftanks worden dus overbodig. En dat betekent minder gewicht, goedkopere lanceringen en minder ruimteschroot.

Een nieuwe raket stuwt zichzelf voort door onderweg zijn eigen romp te verbruiken. Zware brandstoftanks worden dus overbodig. En dat betekent minder gewicht, goedkopere lanceringen en minder ruimteschroot.

Shutterstock

In een oranje wolk van gloeiend heet gas komt de raket langzaam los van het lanceerplatform. De motor brult als een troep leeuwen terwijl de raket meter voor meter de zwaartekracht overwint en opstijgt.

Binnenkort stuurt hij een satelliet in een baan om de aarde, maar daarna zal de raket niet als ruimteschroot door het heelal gaan zwerven. Naarmate hij verder de ruimte in gaat, wordt hij namelijk kleiner – hij eet zichzelf op, waardoor alleen de motor en de nuttige lading nog over zijn wanneer de bestemming is bereikt.

Zo zal een ruimtereis verlopen met dit nieuwe rakettype: de autofag. Onderzoekers van de universiteit Oles Honchar Dnipro in Oekraïne en die van Glasgow publiceerden in 2018 de resultaten van experimenten in een laboratorium waarbij ze aantoonden dat het concept van de zichzelf verslindende raket werkt.

Wanneer de autofagraketten klaar zijn voor gebruik, kunnen ze enkele uitdagingen van de ruimtevaart oplossen: enorm hoge kosten van raketlanceringen en grote hoeveelheden afval in de ruimte.

Aarde is moeilijk te verlaten

Traditionele raketten zijn weinig efficiënt. De nuttige lading maakt nog geen 5 procent van het gewicht van de raket uit, en soms maar 1 procent, tegen ruim 85 procent voor brandstof. Ter vergelijking: een passagiersvliegtuig heeft een nuttige lading (bagage plus passagiers) van circa 50 procent.

Die inefficiëntie is het grootste probleem van de ruimtevaart: het is extreem lastig om te ontsnappen aan de zwaartekracht van de aarde. Wanneer een satelliet in een baan om de aarde wordt gestuurd, moet hij minstens 40.000 km/h aanhouden. Gaat hij langzamer, dan wordt de satelliet door de zwaartekracht naar de aarde teruggehaald.

Satellieten in baan

Als een satelliet in een baan rond de aarde wil blijven, moet hij een minimumsnelheid van 40.000 km/h hebben.

© NASA

En opstijgen vanaf de aarde kost nog meer kracht, onder meer afhankelijk van het gewicht, waarna de voortstuwing dus op peil moet blijven. Daarom neemt een raket enorme tanks mee met de brandstof en met zuurstof voor de verbranding van de brandstof. Bovendien moeten de zuurstof en brandstof worden gekoeld om vloeibaar te blijven, waarvoor een koelsysteem nodig is.

Om te voorkomen dat de vloeistoffen in de tanks klotsen en zo de raket uit koers brengen, moet de tank een antiklotssysteem hebben. Al dat gewicht maakt de lancering zo duur. Met de meest efficiënte raket kost het nog 9000 euro om een halve liter water van de aarde naar het internationale ruimtestation ISS te sturen.

De autofagraket vervangt de vloeibare brandstof door vaste, die ingebouwd kan worden als een onderdeel van de raket. Een raketmotor die werkt met vaste brandstof heeft geen koelsystemen, brandstofpompen en antiklotssystemen nodig. Daarmee is hij gemakkelijker te bouwen en goedkoper te lanceren.

Bij een nieuwe raket maakt de tank met vloeibare brandstof plaats voor vaste brandstof, die wordt ingebouwd als deel van de raket en onderweg dus alsmaar slinkt.

Autofagraket
© Mikkel Juul Jensen

1. Vaste brandstof wordt in de motor verstoven

Een zuiger perst een brandstofcilinder met zuurstof in het midden in de verstuivertrechter van de raket. Bij het opstarten wordt de trechter verwarmd door een elektrisch element, maar daarna krijgt hij warmte van de verbrandingskamer daaromheen. De hitte verstuift de brandstof en het oxidatiemiddel, dat de zijkanten van de trechter raakt.

Autofagraket
© Mikkel Juul Jensen

2. Gassen gaan naar de verbrandingskamer

De verstoven brandstof en het oxidatiemiddel gaan naar een stelsel van kanalen tussen de trechter en de verbrandingskamer in. De twee bestanddelen blijven gescheiden, zodat de brandstof niet voortijdig ontbrandt vanwege de hitte. Via 16 kleine eenrichtingsopeningen stromen de gassen de verbrandingskamer in.

Autofagraket
© Mikkel Juul Jensen

3. Uitlaatgassen stuwen de raket voort

In de verbrandingskamer genereert de combinatie van brandstof, oxidatiemiddel en hitte een verbranding die uitlaatgassen voortbrengt, zoals stikstof, waterdamp, koolmonoxide en waterstof. Daardoor stijgt de druk in de kamer en worden de gassen door een straalpijp uitgestoten, wat de raket voortstuwt.

Maar de eenvoud maakt hem ook inflexibel. Een gewone vastestofraket heeft bijvoorbeeld geen verbrandingskamer. De compacte brandstof brandt gelijkmatig en krachtig. Anders dan bij een traditionele raket, waarbij brandstof continu vanuit een aparte brandstoftank wordt geïnjecteerd in de verbrandingskamer, kan een vastestof­raket dus niet vertragen of stoppen.

Vaste brandstof werd ook gebruikt door draagraketten voor de ruimteveren van NASA, die vlogen op aluminiumpoeder en ammoniumperchloraat. Veel missies maken ook gebruik van vastestofraketten, maar het rakettype kan niet zo nauwkeurig navigeren als nodig is om een satelliet in een baan te brengen of een vaartuig te koppelen aan het ISS. Nóg niet althans. De nieuwe raket heeft echter het beste van twee werelden: hij verbruikt vaste brandstof en is toch flexibel.

Raket brandt als een kaars

De autofagraket is zo flexibel doordat de motor de brandstof, net als een traditionele raket, beetje bij beetje verbruikt. De vaste brandstof is gevormd als een cilinder met een kern van oxidatiepoeder en een huls van brandbaar materiaal. De cilinder brandt aan de ene kant, zoals een kaars, in plaats van van binnenuit, zoals het geval is bij een gewone vastebrandstofraket.

De raketmotor zelf bestaat uit een zuiger en een trechtervormige verstuiver met een verbrandingskamer eromheen.

Autofagraket

De vaste brandstof van een autofagraket wordt naar een trechtervormig deel van de motor gestuurd en verstoven voor verbranding.

© University of Glaasgow

De motor start als de verstuiver wordt opgewarmd. In de proefraket komt de warmte van gas dat ontstoken wordt, maar de echte autofag zal straks een elektrisch verwarmingselement krijgen.

De zuiger in de motor perst de brandstofcilinder in het brede uiteinde van de verstuivingstrechter, en door de warmte van de trechter worden de brandstof en het oxidatiemiddel verstoven. Dan ontbranden ze in de verbrandingskamer, waarna de uitlaatgassen de raket voortstuwen.

Wanneer de raket is gestart, wordt de trechter verhit met de verbrandingswarmte en wordt de brandstof verder verstoven. De raket kan de snelheid aanpassen doordat het zuigermechanisme dat de cilinder in de trechter laat schuiven, de druk verhoogt of verlaagt. De verbranding kan ook worden gestopt door de druk van de zuiger weg te laten vallen.

CubeSat

Met een kleinere versie van de nieuwe autofagraket kunnen in de toekomst kleine, vierkante CubeSats heel goedkoop gelanceerd worden.

© NASA

Miniraketten sturen satellietjes in een baan om de aarde

De nieuwe autofagraket kan veel kleiner gebouwd worden dan de traditionele raketten, want de vaste brandstof maakt volumineuze systemen als brandstoftanks overbodig. Daarom is hij ideaal voor de lancering van zogeheten CubeSats: kleine kubussatellieten. Er draaien al zo’n 900 CubeSats in een baan om de aarde. Ze bestaan uit één of meer kubussen van circa 10 x 10 x 10 centimeter. De satellieten zijn ontwikkeld om onder meer universiteiten de kans te geven hun eigen goedkope onderzoekssatellieten te lanceren, maar ook de ruimtevaartindustrie gebruikt ze, bijvoorbeeld voor het volgen van rampen en voor klimaatonderzoek. Laatst zijn twee CubeSats naar Mars gestuurd met de InSight Lander-missie van NASA.

Zo is de raket flexibel en heeft hij dezelfde eenvoud als een gewone vastebrandstofraket. Nu moeten de onderzoekers nog tests doen, onder meer om het perfecte brandstofmengsel te vinden en een zuiger te maken die de brandstofcilinder met zo min mogelijk kracht in de motor duwt.

En er is nog een belangrijke verandering aangebracht ten opzichte van eerdere vastebrandstofraketten: de brandstof van de autofagraket hoeft niet in een tank, want de vastebrandstofcilinder is een deel van de raket zelf. Al vanaf de lancering begint de raketmotor die cilinder te verbruiken, en op de bestemming zijn alleen nog de motor, het zuigermechanisme en de lading over.

Het resultaat is een raket die veel lichter, makkelijker om te bouwen en goedkoper te lanceren is. En de autofag heeft nog een laatste groot voordeel: naar verwachting zal het aantal satellietlanceringen de komende tien jaar verdrievoudigen, en als de aarde niet wil riskeren in ruimteschroot te zullen omkomen, heeft de ruimtevaartindustrie heel hard een raket nodig die zichzelf al tijdens de reis netjes opruimt.