Geef me de ruimte (19)

“Je wilt ’s morgens wakker worden met het idee dat er een grote toekomst voor je ligt – en dan hebben we het over een ruimtevarende beschaving. Het gaat over een toekomst die beter is dan het verleden. En ik kan niets anders bedenken dat zo spannend is om daar naar toe te gaan en je te bevinden onder de sterren.” Elon Musk

Reis naar Mars (4).

In deze bijdrage wil ik speciale aandacht besteden aan een reis naar Mars volgens het concept van SpaceX. In het vorige Blog heb ik daar al iets over genoemd. SpaceX van Elon Musk, vooral bekend van de Tesla, is hier zeer voortvarend en doelgericht. Het is een private onderneming die geen gebruikmaakt van overheidsgelden en al de ontwikkelingskosten zelf moet verdienen met behulp van winsten uit andere bedrijfsactiviteiten. Alle vele jaren lanceren zij ook voor de NASA satellieten met behulp van de Falcon Heavy draagraket. De laatst mijlpaal is de Crew Dragon capsule waarmee Amerikaanse astronauten in mei 2020 sinds de stop van de Spaceshuttle in 2011, weer vanaf eigen bodem naar het I.S.S. kunnen vliegen en vervolgens weer terug naar de aarde. En daarbij niet meer afhankelijk van de Russen.

SpaceX hanteert een aantal fundamentele uitgangspunten waardoor een toekomstige reis naar Mars steeds reëler wordt. In het kort zal ik deze hier behandelen.

1. Elke raket(trap) maakt gebruik van dezelfde motor. Veelal zie je bij de meertrapsraketten dat elke trap haar eigen motoren heeft. Verder worden de lagere trappen aangedreven op de stuwstofcombinatie van kerosine (RP-1) en vloeibare zuurstof (LOX). De hogere trappen gebruiken vervolgens de zeer effectieve combinatie van vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof. SpaceX gebruikt enkel haar eigen Raptor motor, aangedreven op basis van vloeibare methaan en vloeibare zuurstof. De raketmotor heeft een stuwkracht van 170 ton. Redelijk bescheiden. De vereiste stuwkracht wordt vervolgens gewoon verkregen door bundeling van raketmotoren. We zullen later zien dat de eerste trap (Booster) bestaat uit een bundeling van 42 motoren!!!!

2. Volledige herbruikbaarheid. Tot zover konden alle raketten slechts eenmalig gebruikt worden. Dus een zeer dure aangelegenheid. Herbruikbaar wordt mogelijk door toepassing van andere materialen, zoals Roestvrijstaal (RVS) als vervanger van allerlei kunststoffen, koolstofcomposieten en lichtere materialen, denk dan aan aluminium. RVS heeft vele voordelen. Het is zwaarder maar dat weegt niet op tegen de voordelen. Het is goedkoop, sterk en eenvoudig te bewerken. Heel belangrijk is het hoge smeltpunt van 1450 graden Celsius waardoor een dun hitteschild nodig is. Herbruikbaarheid in combinatie met grote productieseries betekent vanzelfsprekend grote financiële voordelen.

3. Zoals al eerder genoemd het gebruik van vloeibare methaan. Deze brandstof levert aanmerkelijk lagere prestaties, maar daar staat tegenover het hogere soortelijk gewicht, waardoor minder tankvolume vereist is. Verder is het smeltpunt behoorlijk hoger, minus 182 graden, dit in tegenstelling tot de minus 260 graden van vloeibare waterstof. Het voert te ver om hierover uitgebreid uit te wijden. De belangrijkste hoofdreden dat voor methaan gekozen werd, is natuurlijk de mogelijkheid om deze ook op Mars te kunnen produceren, waardoor een terugreis aanmerkelijk vereenvoudigd wordt. Zie Blog 16.

4. Ontwikkeling en productie vindt zoveel mogelijk in eigen-huis plaats. Hierdoor worden dure contracten met buitenaannemers voorkomen. Men noemt dit ‘verticale integratie’.

5. De mogelijkheid om in een baan om de aarde bij te tanken. Dit is een geweldig voordeel, want hiermee wordt een reis naar Mars aanmerkelijk bespoedigd tot ‘slechts’ 120 dagen.

De principiële momenten voor de heen-en terugreis. In onderstaande figuur worden de zes stappen weer-gegeven. De eerste stap (1) volgt ongeveer vier minuten na lancering. De Heavy Booster wordt dan afgestoten en keert terug naar de aarde. De Starship met een nuttige lading van 100 ton aan boord vervolgt haar baan en bereikt in (2) haar parkeerbaan om de aarde. Na enige tijd wordt een tweede Booster-Starship combinatie, zonder nuttige lading gelanceerd en maakt in (3) een rendez-vous met de daarvoor gelanceerde Starship. Na koppeling wordt vanuit de ene Starship naar de andere, vloeibaar methaan en zuurstof overgeheveld. De lege Starship gaat vervolgens weer terug naar de aarde.

Op het juiste moment (4) worden de raketmotoren van de Starship, nog steeds in de parkeerbaan om de aarde, ontstoken voor de noodzakelijke snelheidsimpuls en daarmee begint dan de reis naar Mars. Na zo’n 120 dagen (5) wordt Mars bereikt en met behulp van de Bellyflop manoeuvre wordt de daling ingezet naar het Marsopper-vlak. Tijdens het verblijf op Mars wordt vloeibaar methaan en zuurstof aangemaakt (zie Blog 16). Deze worden vervolgens getankt in de Starship en op het juiste moment (6) vindt de lancering plaats en (7) begint de terugreis naar de aarde. Na zo’n 120 dagen (8) wordt de aarde bereikt en ook nu vindt met behulp van een Bellyflop de landing op aarde plaats. Bij het moment (6) wil ik graag opmerken dat dit nagenoeg zeker geen directe vlucht naar de aarde is, maar een vertrek vanuit een baan om Mars. De Starship is daartoe in deze baan gebracht en zal daarna bijgetankt worden, zoals dat ook op moment (2) geschiedde. Helaas is hierover weinig tot niets bekend. Echter gezien de prestaties van Starship en de benodigde energie om de aarde te kunnen bereiken is dit wel zeer waarschijnlijk.

De baan van de heen- en terugreis.

Met de afgelopen vier Blogs hoop ik de lezer enig idee te hebben gegeven wat de huidige ontwikkelingen zijn, maar ook de gigantische problemen die een reis naar Mars met zich meebrengt. Een reis naar Mars heeft zolang de mensheid bestaat tot de verbeelding gesproken. De generaties van nu hebben de maanlanding mogen beleven. Hopelijk zal dat ook gelden voor een landing op Mars. Graag wil ik hier nogmaals (zie Blog 10) de uitspraak noemen van Sir Arthur C. Clarke (1917-2008), een zeer bekende sciencefictionschrijver en futuroloog, die hij deed na de lancering van de Spoetnik 1 in 1957,

                                                                            “When the story of our age comes to be told,

                                        we will to be remembered as the first of all men to set their sign among the stars”.