Blow-up: opblaasbare ruimtemodules die klein starten en groot worden
Stel je een tent voor die is opgevouwen tot de grootte van een koffer, maar die zich eenmaal opgezet uitvouwt tot een ruime kamer. Dat is in essentie het idee achter "blow-up"-technologie in de ruimtevaart: modules die opgevouwen en compact de ruimte in worden geschoten, en die daar met perslucht worden opgeblazen tot een veel groter volume dan hun oorspronkelijke afmeting in de raket. Het Engelse begrip verwijst naar het letterlijk "opblazen" van deze structuren, vergelijkbaar met een opblaasboot die plat inpakt maar volgepompt een stevige, bruikbare vorm krijgt.
Het probleem dat deze technologie oplost is simpel maar hardnekkig: ruimte in een raket is duur en beperkt. Een traditionele, stijve ruimtemodule van metaal moet in zijn volledige, uiteindelijke vorm de raket in, wat de maximale grootte van leefruimtes in de ruimte begrenst tot de diameter van de raketneus. Een opblaasbare module wordt daarentegen samengevouwen tot een fractie van zijn eindvolume, gelanceerd, en pas in een baan om de aarde of onderweg naar de maan of Mars uitgevouwen. Zo kan een woonruimte die drie keer zo groot is als een vergelijkbare stalen module toch in dezelfde raket passen.
Wat is het precies?
Een opblaasbare ruimtemodule bestaat niet uit één laag stof, zoals een strandbal, maar uit meerdere lagen speciaal weefsel die elk een eigen taak hebben. Binnenin zit een luchtdichte blaas die de druk vasthoudt, vergelijkbaar met het binnenste van een fietsband. Daaromheen zit een sterke, vlechtwerkachtige laag van kunstvezels zoals Kevlar of Vectran — materialen die ook in kogelwerende vesten worden gebruikt — die de trekkrachten opvangen die ontstaan doordat de binnenlucht naar buiten wil duwen.
Daaromheen komt weer een laag die bescherming moet bieden tegen micrometeorieten en ruimtepuin: kleine deeltjes die met enorme snelheden door de ruimte razen. Deze laag bestaat vaak uit meerdere dunne schotten van een keramisch weefsel (bijvoorbeeld Nextel), die een inslaand deeltje laten verbrokkelen voordat het de binnenste, luchtdichte laag kan raken — hetzelfde principe als een zogeheten Whipple-schild bij stalen ruimtevaartuigen. Helemaal buitenop zit nog een laag die bescherming biedt tegen extreme temperatuurschommelingen en tegen atomaire zuurstof, een agressief deeltje dat op grote hoogte metalen en kunststoffen aantast.
Eenmaal in de ruimte wordt de module langzaam met perslucht gevuld vanuit tanks aan boord. Dat proces duurt uren tot dagen, omdat een te snelle drukopbouw scheuren of ongelijkmatige spanning in het weefsel kan veroorzaken. Sensoren in de wanden houden voortdurend de luchtdruk en eventuele lekkages in de gaten.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is simpel: meer leefruimte voor minder geld en gewicht per kilogram lanceercapaciteit. Elke kilogram die een raket de ruimte in tilt, kost duizenden euro's. Een lichte, opgevouwen module die pas in de ruimte zijn volle omvang krijgt, levert dus potentieel veel meer bruikbare kubieke meters op per lancering dan een stalen cilinder van dezelfde massa.
Daarnaast hopen ingenieurs dat de zachte, meerlaagse wanden van opblaasbare modules beter beschermen tegen straling en ruimtepuin dan dunne aluminium wanden, omdat de vezellagen inslagenergie over een groter oppervlak verspreiden. Voor langere missies naar de maan of Mars, waar bemanningen weken tot maanden in een module moeten doorbrengen, is extra leefruimte bovendien belangrijk voor het psychisch welzijn van astronauten: meer bewegingsruimte en de mogelijkheid om je even af te zonderen van je teamgenoten.
Voor commerciële partijen speelt er nog een ander motief: goedkopere, ruimere stations zouden ruimtetoerisme, onderzoek in gewichtloosheid en productie in de ruimte betaalbaarder kunnen maken zodra het Internationale Ruimtestation (ISS) rond 2030 met pensioen gaat.
Voorbeelden uit de praktijk
Het concept is niet nieuw. NASA ontwikkelde in de jaren negentig een opblaasbare woonmodule genaamd TransHab, bedoeld voor het ISS. Het Amerikaanse Congres verbood NASA echter rond 2000 om het project verder zelf te ontwikkelen, mede uit zorg dat de ruimteagentschap zo zou concurreren met de opkomende commerciële ruimtevaartindustrie. NASA bracht de octrooien vervolgens onder in een licentie.
Die licentie werd overgenomen door Bigelow Aerospace, opgericht door hotelondernemer Robert Bigelow. Het bedrijf lanceerde de onbemande testmodules Genesis I (2006) en Genesis II (2007), ongeveer op een derde van de uiteindelijk beoogde schaal, om te testen of opblaasbare structuren de ruimte konden overleven. Beide bleven jarenlang seinen doorsturen vanuit hun baan om de aarde.
De bekendste toepassing tot nu toe is BEAM (Bigelow Expandable Activity Module), die in april 2016 aan het ISS werd bevestigd, aan de Tranquility-module. BEAM was oorspronkelijk bedoeld als tweejarige test, maar bleek zo goed te presteren dat NASA besloot de module te laten zitten; hij wordt inmiddels al jaren gebruikt als opslagruimte aan boord van het station.
Bigelow Aerospace werkte ook aan een veel grotere, bemande opvolger genaamd B330, maar die is nooit gelanceerd: het bedrijf staakte in 2020 vrijwel alle activiteiten. De fakkel is intussen overgenomen door Sierra Space, dat met zijn LIFE-habitat (Large Integrated Flexible Environment) een sleutelonderdeel levert voor het commerciële ruimtestation Orbital Reef, een initiatief onder leiding van Blue Origin. Sierra Space voerde de afgelopen jaren meerdere zogeheten burst-tests uit, waarbij een testmodule opzettelijk tot ver boven de bedrijfsdruk wordt volgepompt totdat hij scheurt, om de sterkte van het materiaal te bepalen; het bedrijf meldde daarbij drukwaarden die ruim boven de door NASA gestelde veiligheidsnorm lagen.
Hoe ver is de techniek?
De techniek heeft de belangrijkste principiële hobbel al genomen: BEAM bewijst al sinds 2016 dat een opblaasbare module jarenlang veilig aan een bemand ruimtestation kan hangen, micrometeorietinslagen kan doorstaan en de luchtdruk kan vasthouden. Dat is een belangrijke mijlpaal, want lange tijd twijfelden critici of zacht weefsel wel bestand zou zijn tegen de barre omstandigheden in een baan om de aarde.
Toch is er nog geen enkele opblaasbare module operationeel gebruikt als volwaardige, permanent bemande leefruimte op ware grootte; BEAM dient vooral als opslag, niet als woonruimte. De grotere modules zoals Sierra Space's LIFE-habitat en de nooit gelanceerde B330 moeten dat nog bewijzen. Openstaande vragen zijn onder meer: hoe gedraagt het materiaal zich na tien of twintig jaar blootstelling aan ruimtestraling en temperatuurschommelingen, hoe goed is de bescherming tegen grotere stukken ruimtepuin in vergelijking met metalen wanden, en hoe verloopt de productie op grote schaal betrouwbaar en betaalbaar.
Financieel en organisatorisch is de sector ook kwetsbaar gebleken: het faillissement van pionier Bigelow Aerospace in 2020 laat zien dat commerciële opblaasbare ruimtevaart nog geen vaste voet aan de grond heeft. Projecten als Orbital Reef zijn afhankelijk van de vraag of het ISS op tijd met pensioen gaat en of er voldoende commerciële klanten — overheden, onderzoeksinstellingen, bedrijven — opstaan om een nieuw station te vullen.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is NASA (met name het Johnson Space Center) de historische grondlegger van de technologie via het TransHab-programma, en blijft het agentschap betrokken als opdrachtgever en tester van veiligheidsnormen. Sierra Space is momenteel de belangrijkste commerciële ontwikkelaar, met zijn LIFE-habitat als kernonderdeel van het Orbital Reef-station, een samenwerking met Blue Origin (het ruimtevaartbedrijf van Jeff Bezos) en enkele andere partners.
De erfenis van Bigelow Aerospace, dat de technologie decennialang als enige commercieel doorontwikkelde, is nog steeds terug te zien in de nog altijd aan het ISS bevestigde BEAM-module. Ook andere landen tonen interesse: onderzoeksinstituten in onder meer China en Europa volgen de ontwikkelingen en verkennen eigen concepten voor uitvouwbare structuren, al is geen van die programma's tot nu toe zo ver gevorderd als de Amerikaanse voorbeelden.