Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Langer, sneller en veiliger op weg in de ruimte? Australische natuurkundigen willen samen met het Franse bedrijfje ThrustMe een plasma-aandrijving op water, stikstof of CO2 ontwikkelen.
Wil je de ruimte in, dan kun je kiezen tussen lompe kracht met een brandstof verspillende motor op bijvoorbeeld hydrazine, of zuinig maar langzaam op snelheid komen met een ionenaandrijving die razendsnelle geladen deeltjes uitspuugt. Om een derde optie op tafel (en in een omloopbaan) te krijgen, slaan het Franse bedrijfje voor satellietaandrijving ThrustMe en de natuurkundigen van de Australian National University (ANU) in Canberra nu de handen ineen voor een aandrijving op extreem heet gas.
Lees ook:
Zuinig of sterk
Om los te komen van de aarde heb je als raketbouwer geen andere keus dan een raket op chemische brandstof: die levert veel energie in een keer, maar weegt zwaar op het massabudget van raketten. De 549 ton zware Falcon 9 van SpaceX kan daardoor maar 22,8 ton nuttige lading naar een lage omloopbaan om de aarde lanceren; de rest is vooral brandstof.
Eenmaal in de ruimte is een zuinige maar zwakke ionenaandrijving daarom dé manier om onbemenste sondes langzaam te laten versnellen. Zo’n aandrijving ioniseert atomen zoals het edelgas argon door er een elektron af te tikken zodat er geladen ionen overblijven. Die ionen worden met een elektrische versneller met tientallen kilometers per seconde de ruimte ingeschoten; de terugslag duwt de ruimtesonde ietsje vooruit.
Hete lucht
ThrustMe en de natuurkundigen van ANU willen een sterke én zuinige aandrijving ontwikkelen die geschikt is om regelmatig snelle koerswijzigingen uit te voeren – handig om bijvoorbeeld botsingen met ruimtepuin te voorkomen. Dat gebeurt met een plasma-aanpak: met een flinke elektrische ontlading verhitten ze een onschadelijk gas als water, CO2 of stikstof. Dat moet met bescheiden gewicht meer stuwkracht leveren dan een ionenaandrijving, en is makkelijker te hanteren dan hydrazine of een waterstof-zuurstof-mengsel.
“Door die stroomstoot vallen de atomen uiteen in een plasma, een hete massa geladen ionen en elektronen die uit de uitlaat spuit”, legt ANU-hoogleraar Cormac Corr uit in een nieuwsbericht. “Zo’n plasma kunnen we verhitten tot wel 10.000 graden Celsius, veel heter dan je haalt met chemische brandstof.”
Door die hogere temperatuur schiet de stuwstof sneller weg dan bij een chemische aandrijving, en levert dus meer stuwkracht per kilo. Omdat de aandrijving geen brandstof maar CO2, water of stikstof gebruikt, moet de benodigde energie van buiten komen: uit zonnepanelen of uit een miniatuur kernreactor voor eventuele lange, interplanetaire missies waar een sterke motor voor nodig is.
Stuwstof maken op Mars
ANU en ThrustMe zijn overigens niet de eerste die met het idee van een plasma-aandrijving op de proppen komen. Zo bedacht voormalig NASA-astronaut Franklin Chang Díaz al in 1977 hoe je een plasma op kon wekken door gas te verhitten met microgolven, en het daarna met magneetvelden uit je raket kon spuiten. Het VASIMR-ontwerp (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) is het lab nog niet uit, maar zou net als de plasma-aandrijving van ThrustMe en ANU sterk genoeg zijn om zware ruimteschepen op hoge snelheid het zonnestelsel in te duwen. “VASIMR is echt een grote aandrijving die je niet makkelijk kunt miniaturiseren”, vertelt Corr in een interview. “In de ruimtevaartindustrie zie je een trend naar kleinere, compacte satellieten, precies waar wij op mikken met onze plasma-aandrijving.”
Volgens de Frans-Australische onderzoekers kan hun elektrothermische plasma van water, stikstof of CO2 bemenste missies sneller naar Mars brengen dan een chemische raket. Omdat de Mars-atmosfeer vooral uit CO2 bestaat, is een raket met dat gas als stuwstof razend interessant; die kan bij aankomst bijtanken en hoeft dus geen brandstof mee te brengen voor de terugreis.
Bronnen: ANU, ThrustMe
Beeld: ANU