Cryogene brandstof: waarom raketten en straks misschien vliegtuigen op extreem koude gassen vliegen

Cryogene brandstof is brandstof die alleen vloeibaar blijft bij extreem lage temperaturen, vaak honderden graden onder nul. Denk aan vloeibare waterstof, die pas vloeibaar wordt bij ongeveer -253°C, of vloeibare zuurstof, die rond de -183°C moet blijven. Zodra deze stoffen opwarmen, verdampen ze meteen weer tot gas. Dat maakt ze lastig om te vervoeren en op te slaan, maar juist heel geschikt om enorme hoeveelheden energie in een compact volume te persen.

Een goede analogie is een thermosfles met ijswater: zodra je hem opent of laat opwarmen, verdwijnt het ijs vanzelf. Cryogene tanks werken net zo, maar dan met gassen die niet bij 0°C maar bij -150°C of kouder moeten blijven. Deze brandstoffen worden vooral gebruikt in raketten, waar vloeibare zuurstof en vloeibare waterstof of vloeibaar methaan samen een krachtige verbranding opwekken die een raket de ruimte in duwt. Ook in de scheepvaart en, experimenteel, in de luchtvaart wint cryogene brandstof terrein.

Wat is het precies?

Gewone brandstoffen zoals benzine of kerosine zijn bij kamertemperatuur al vloeibaar. Cryogene brandstoffen zijn dat niet: het zijn gassen die je moet afkoelen tot ver onder het vriespunt om ze vloeibaar te maken. De bekendste zijn vloeibare waterstof (LH2, kookpunt -253°C), vloeibare zuurstof (LOX, kookpunt -183°C) en vloeibaar methaan of aardgas (LCH4 of LNG, kookpunt -162°C).

Waarom doe je die moeite? In vloeibare vorm nemen deze stoffen honderden keren minder ruimte in dan als gas. Een tank vol vloeibare waterstof bevat dus veel meer brandstof dan diezelfde tank gevuld met waterstofgas onder normale druk. Voor een raket, waar elke kilo en elke kubieke centimeter telt, is dat cruciaal.

Het opslaan van deze extreem koude vloeistoffen vraagt om speciale tanks met zware isolatie, vaak dubbelwandig met een vacuümlaag ertussen, vergelijkbaar met een thermosfles maar dan op industriële schaal. Toch lekt er altijd een beetje warmte naar binnen. Daardoor verdampt een deel van de brandstof geleidelijk, een verschijnsel dat boil-off heet. Bij korte raketvluchten is dat verlies te overzien, maar bij langdurige opslag, bijvoorbeeld voor een toekomstige maanbasis, is het een serieus technisch probleem waar nog geen sluitende oplossing voor is.

Bij een raketmotor worden de brandstof (zoals waterstof of methaan) en de brandstofoxidator (zuurstof) apart in tanks bewaard en pas in de verbrandingskamer samengebracht. Daar ontstaat een extreem hete verbranding die via een mondstuk wordt uitgestoten en zo stuwkracht levert.

Wat wil men ermee bereiken?

Het hoofddoel is simpel: meer stuwkracht of meer energie leveren per kilo brandstof. Vloeibare waterstof in combinatie met vloeibare zuurstof levert van alle gangbare raketbrandstoffen de hoogste energie-inhoud per kilogram, wat betekent dat een raket met minder brandstofgewicht verder of hoger kan komen. Dat is met name belangrijk voor de bovenste trappen van raketten, die de laatste, cruciale duw richting een baan om de aarde of daarbuiten moeten geven.

Vloeibaar methaan is aan een opmars bezig omdat het een goede balans biedt tussen prestaties, kosten en herbruikbaarheid. Methaanmotoren verbranden schoner dan traditionele kerosinemotoren, laten minder roet achter in de motor en zijn daardoor makkelijker meerdere keren te gebruiken zonder grondige revisie. Dat past bij de trend naar herbruikbare raketten, waarbij dezelfde motor tientallen vluchten moet kunnen maken.

Buiten de ruimtevaart is er een ander motief: verduurzaming. Waterstof levert bij verbranding alleen water als uitstoot, geen CO2. Daarom onderzoekt de luchtvaartsector of vliegtuigen op vloeibare waterstof kunnen vliegen, als alternatief voor fossiele kerosine. In de scheepvaart wordt vloeibaar aardgas (LNG) al op grotere schaal ingezet als brandstof, deels omdat het minder zwavel en fijnstof uitstoot dan stookolie.

Voorbeelden uit de praktijk

SpaceX Starship is momenteel het meest opvallende voorbeeld. Deze raket, ontwikkeld in Boca Chica, Texas, gebruikt uitsluitend vloeibare zuurstof en vloeibaar methaan (methalox). Sinds de eerste testvlucht in 2023 heeft SpaceX meerdere proefvluchten uitgevoerd, met wisselend succes, waarbij vooral het terugvangen van de Super Heavy-booster met de lanceertoren opviel als technisch hoogstandje.

NASA's Space Launch System (SLS), gebruikt voor het Artemis-programma, draait op de klassieke combinatie vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof. Artemis 1 vloog onbemand rond de maan in november 2022. Latere Artemis-missies, bedoeld om astronauten weer op de maan te laten landen, zijn door technische en planningsredenen meermaals uitgesteld.

Ariane 6, de nieuwe Europese raket van ESA en ArianeGroup, maakte in juli 2024 zijn eerste vlucht. Ook deze raket gebruikt LH2/LOX in de hoofdmotor (Vulcain 2.1), een voortzetting van de aanpak die Europa al sinds de Ariane-serie in de jaren tachtig gebruikt.

Blue Origin's New Glenn en United Launch Alliance's Vulcan Centaur gebruiken beide de BE-4-motor, ontwikkeld door Blue Origin, die op vloeibare zuurstof en vloeibaar aardgas draait. Vulcan Centaur maakte zijn eerste vlucht begin 2024; New Glenn volgde kort daarna met zijn debuutvlucht.

Airbus ZEROe is een onderzoeksproject naar een commercieel vliegtuig op vloeibare waterstof, met een beoogde introductie rond 2035. Airbus heeft de afgelopen jaren onderdelen van de tijdlijn bijgesteld, onder meer omdat de benodigde tanktechniek en de waterstofinfrastructuur op luchthavens nog niet volwassen genoeg zijn.

Hoe ver is de techniek?

Voor raketten is cryogene brandstof allesbehalve nieuw: LH2/LOX-motoren vliegen al sinds de jaren zestig, onder meer bij de Saturn V-raket die de Apollo-missies naar de maan bracht. De techniek is dus volwassen, maar wordt voortdurend verfijnd, vooral op het gebied van herbruikbaarheid en kostenbesparing.

Methaanmotoren zijn relatief nieuw in operationele raketten en bevinden zich nog in een fase van testen en optimaliseren. SpaceX, Blue Origin en het Chinese bedrijf LandSpace experimenteren allemaal met deze motoren, en er worden geregeld tegenslagen gemeld, van explosies tijdens testvluchten tot vertraagde lanceringen.

Cryogene brandstof in de luchtvaart staat nog in de kinderschoenen. Er vliegen enkele kleine testvliegtuigen op waterstof, maar een commercieel toestel voor honderden passagiers is er nog niet. De grootste obstakels zijn de omvang van waterstoftanks (waterstof heeft veel volume nodig, ook in vloeibare vorm), het boil-off-probleem tijdens grondtijd op luchthavens, en het vrijwel ontbreken van tankinfrastructuur voor vloeibare waterstof op luchthavens wereldwijd.

LNG als scheepvaartbrandstof is het verst ontwikkeld van de niet-ruimtevaarttoepassingen: honderden LNG-aangedreven schepen en LNG-tankers varen al rond, en de bunkerinfrastructuur in grote havens breidt uit. Toch blijft ook hier boil-off een aandachtspunt tijdens lange overtochten.

Wie werken eraan?

In de ruimtevaart lopen SpaceX en Blue Origin voorop met methaanmotoren, terwijl NASA, ESA en ArianeGroup vasthouden aan de beproefde waterstof-zuurstofcombinatie voor hun zwaarste raketten. Ook China ontwikkelt via staatsbedrijven en private spelers zoals LandSpace cryogene raketmotoren, met succesvolle methalox-lanceringen sinds 2023. Rusland (Roscosmos) en Japan (JAXA) hebben eveneens decennialange ervaring met cryogene raketaandrijving.

Op het gebied van waterstofvliegtuigen is Airbus de meest zichtbare speler in Europa, met onderzoekssteun van onder meer het Duitse ruimtevaartcentrum DLR en diverse Europese universiteiten. In de VS onderzoekt NASA via het Glenn Research Center cryogene opslag- en tanktechnologie, mede met het oog op toekomstige maan- en Marsmissies waar brandstof lang bewaard moet blijven.

Op het gebied van LNG-scheepvaart zijn grote energiebedrijven zoals Shell en TotalEnergies betrokken bij zowel de productie als de bunkerinfrastructuur, terwijl scheepsbouwers in Zuid-Korea en Japan een groot deel van de LNG-tankvloot bouwen.

Verder lezen

• NASA — Amerikaanse ruimtevaartorganisatie, met achtergrondinformatie over het Artemis-programma en cryogene raketaandrijving.
• European Space Agency (ESA) — Europese ruimtevaartorganisatie, met informatie over de Ariane-raketten en toekomstige lanceersystemen.
• SpaceX — ontwikkelaar van de Starship-raket, met updates over methalox-testvluchten.
• Airbus — vliegtuigbouwer, met informatie over het ZEROe-waterstofvliegtuigproject.
• U.S. Department of Energy — Amerikaans ministerie van Energie, met achtergrond over waterstof als energiedrager en de bijbehorende opslagtechniek.