Kerosine-zuurstofmotor
Een kerosine-zuurstofmotor is een raketmotor die twee vloeistoffen met elkaar laat reageren om enorme hoeveelheden stuwkracht te leveren: kerosine als brandstof en vloeibare zuurstof als oxidator (de stof die nodig is om de brandstof te laten verbranden). Op aarde gebruiken motoren, zoals die van een auto, de zuurstof uit de lucht om benzine te verbranden. In de ruimte is geen lucht, dus een raket moet zijn eigen zuurstof meenemen, gekoeld tot ongeveer -183 graden Celsius zodat het vloeibaar blijft. Het resultaat is een van de meest gebruikte en beproefde motortypen in de ruimtevaart, van de Apollo-maanraketten tot de herbruikbare raketten van vandaag.
Denk aan een kerosine-zuurstofmotor als een extreem krachtige, zeer nauwkeurig gestuurde lasbrander op vloeibare brandstof. Kerosine, een verfijnde vorm van petroleum die lijkt op de brandstof voor straalvliegtuigen, wordt samen met vloeibare zuurstof onder hoge druk in een verbrandingskamer gespoten. Daar ontstaat een explosieve, gecontroleerde verbranding die via een trechtervormige uitlaat (het mondstuk) met duizenden kilometers per uur naar buiten schiet. Die uitstoot duwt de raket, volgens de wet van actie en reactie, de andere kant op: omhoog.
Wat is het precies?
De basis van elke vloeistofraketmotor is simpel: twee stoffen die hard reageren zodra ze samenkomen, worden gecontroleerd met elkaar vermengd en ontstoken. Bij een kerosine-zuurstofmotor zijn dat kerosine (vaak een gezuiverde variant genaamd RP-1, speciaal ontworpen om schoner te verbranden dan gewone petroleum) en vloeibare zuurstof, afgekort LOX.
Beide vloeistoffen worden opgeslagen in aparte tanks en moeten met hoge druk de verbrandingskamer in worden gepompt, want de verbranding zelf vindt plaats onder een druk die vele malen hoger is dan de atmosferische druk op aarde. Dat pompwerk wordt gedaan door turbopompen: kleine maar extreem krachtige pompen die worden aangedreven door een turbine, vergelijkbaar met de turbine in een straalmotor. Deze turbopompen behoren tot de meest mechanisch zwaar belaste onderdelen van de hele raket.
Om die turbines aan te drijven is aparte energie nodig, en hier ontstaan verschillende ontwerp-"cycli" (manieren waarop de motor zichzelf van energie voorziet). Bij de gasgenerator-cyclus wordt een klein deel van de brandstof en oxidator apart verbrand in een kleine "gasgenerator" om de turbopompen aan te drijven; die verbrande gassen worden vervolgens gewoon geloosd, wat wat efficiëntie kost maar het ontwerp eenvoudiger maakt. Bij de geavanceerdere staged combustion-cyclus wordt dat gas juist teruggevoerd de hoofdverbrandingskamer in, zodat niets verloren gaat. Dit is efficiënter maar technisch veel lastiger te beheersen, vooral in de zogeheten oxidator-rijke variant, waarbij hete, zuurstofrijke gassen door metalen leidingen stromen die daardoor sterk kunnen corroderen.
Na de verbranding stroomt het hete gasmengsel door het mondstuk, een trechter die het gas versnelt tot enorme snelheden. Hoe efficiënter een motor de energie van de verbranding omzet in snelheid van de uitlaatgassen, hoe hoger de zogeheten specifieke impuls: een maat voor hoe zuinig een motor met zijn brandstof omspringt, vergelijkbaar met het aantal kilometers dat een auto rijdt per liter benzine.
Kerosine en zuurstof zijn niet de enige combinatie die werkt; ook waterstof-zuurstof en, recenter, methaan-zuurstof worden gebruikt. Kerosine wordt vooral gekozen omdat het bij kamertemperatuur vloeibaar is (makkelijk op te slaan, geen extreme koeling nodig zoals bij waterstof) en omdat het relatief dicht is, waardoor de brandstoftanks compacter kunnen blijven dan bij het veel ijlere waterstof.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel van een kerosine-zuurstofmotor is een gunstige verhouding tussen geleverde stuwkracht en het eigen gewicht van de motor en zijn brandstof. Omdat kerosine relatief dicht is, passen grote hoeveelheden in compacte tanks, wat vooral belangrijk is voor de onderste trap van een raket: die moet de volledige massa van de raket, inclusief alle bovenliggende trappen en de lading, van de grond af optillen.
Daarnaast is kerosine, in tegenstelling tot vloeibare waterstof, relatief eenvoudig en veilig te hanteren: het hoeft niet extreem koud bewaard te worden en is minder vluchtig. Dat maakt de motoren en de bijbehorende grondinfrastructuur goedkoper en betrouwbaarder.
Een steeds belangrijker doel is herbruikbaarheid. Waar raketmotoren decennialang wegwerpproducten waren, wil de industrie nu motoren bouwen die tientallen keren kunnen worden hergebruikt zonder dure revisie, om de kosten per lancering fors te verlagen. Kerosine-zuurstofmotoren speelden hierin een voortrekkersrol, al brengt juist kerosine ook specifieke uitdagingen met zich mee voor herbruikbaarheid (zie hieronder).
Voorbeelden uit de praktijk
De F-1-motor, gebouwd door Rocketdyne voor NASA, is wellicht de bekendste kerosine-zuurstofmotor uit de geschiedenis. Vijf exemplaren vormden samen de eerste trap van de Saturn V-raket die tussen 1967 en 1973 astronauten naar de maan bracht. De F-1 gebruikte de eenvoudigere gasgenerator-cyclus en bleef decennialang de krachtigste enkelvoudige raketmotor ooit gebouwd.
De RD-180, ontwikkeld door het Russische NPO Energomash, is een voorbeeld van de complexere oxidator-rijke staged combustion-cyclus. Sinds het begin van de jaren 2000 dreef deze motor de Amerikaanse Atlas V-raket aan, een opvallend voorbeeld van Amerikaans-Russische samenwerking in de ruimtevaart ondanks geopolitieke spanningen.
De Merlin-motor van SpaceX, in gebruik sinds de late jaren 2000 en verder verbeterd tot de Merlin 1D, dreef de Falcon 9-raket aan en was een van de eerste kerosine-zuurstofmotoren die op grote schaal herbruikbaar werd ingezet: dezelfde motoren keerden sinds 2015 herhaaldelijk terug naar de grond en werden na inspectie opnieuw gelanceerd.
China ontwikkelde met de YF-100-motor, operationeel sinds ongeveer 2016, zijn eigen krachtige kerosine-zuurstofmotor voor de nieuwe generatie Lange Mars-raketten, gebouwd door het staatsbedrijf CASC. Over de precieze technische details en prestaties van dit motorfamilie is in het Westen minder gedetailleerde, onafhankelijk geverifieerde informatie beschikbaar dan over Amerikaanse of Russische tegenhangers.
Een bijzonder geval is de Rutherford-motor van het Amerikaans-Nieuw-Zeelandse bedrijf Rocket Lab, in gebruik sinds 2017 op de kleine Electron-raket. In plaats van een turbine die wordt aangedreven door verbrande brandstof, gebruikt Rutherford elektrische motoren op batterijen om de turbopompen aan te drijven. Dit maakt de motor eenvoudiger, al is deze aanpak vooral geschikt voor kleinere raketten omdat batterijen relatief zwaar zijn.
Hoe ver is de techniek?
De basistechniek van kerosine-zuurstofmotoren is niet nieuw: ze wordt al sinds de jaren vijftig en zestig van de vorige eeuw op grote schaal toegepast en geldt als volwassen en goed begrepen. De grote uitdagingen van vandaag liggen niet zozeer in het principe, maar in de uitvoering: hogere betrouwbaarheid, lagere kosten en vooral herbruikbaarheid.
Een specifiek probleem bij herbruikbare kerosine-motoren is cokesvorming: bij hoge temperaturen laat kerosine kleverige, koolstofrijke afzettingen achter in brandstofleidingen en injectoren, vergelijkbaar met roetaanslag. Bij een motor die maar één keer wordt gebruikt is dat geen probleem, maar bij motoren die tientallen keren moeten worden herstart, kan deze opbouw uiteindelijk kanalen verstoppen en onderdelen beschadigen, wat extra inspectie en onderhoud vereist.
Deels om die reden verschuift een deel van de industrie de aandacht naar motoren op vloeibaar methaan in plaats van kerosine, zoals de Raptor-motor van SpaceX. Methaan verbrandt schoner, laat veel minder koolstofafzetting achter en is daardoor in theorie makkelijker geschikt te maken voor snelle, herhaalde herbruikbaarheid. Dit betekent niet dat kerosine-zuurstofmotoren verdwijnen: ze blijven wereldwijd in actieve productie en ontwikkeling, mede omdat de bestaande kennis, fabrieken en toeleveringsketens al aanwezig zijn. Wel is duidelijk dat methaan als concurrerende technologie terrein wint voor nieuwe ontwerpen.
Andere lopende ontwikkelingen zijn het gebruik van 3D-printen (additieve fabricage) om complexe motoronderdelen sneller en goedkoper te produceren, en verdere verfijning van de oxidator-rijke staged combustion-cyclus buiten Rusland, een techniek die lange tijd vrijwel uniek Russisch domein was vanwege de corrosie-uitdagingen die ermee gepaard gaan.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is SpaceX met zijn Merlin-motoren de meest zichtbare speler, naast het historische werk van NASA en zijn toenmalige motorleverancier Rocketdyne aan onder meer de F-1. Rusland blijft, via NPO Energomash onder de vlag van de staatlijke ruimtevaartorganisatie Roscosmos, een van de meest ervaren ontwikkelaars van krachtige staged-combustion kerosinemotoren zoals de RD-180 en zijn familieleden.
China bouwt via het staatsbedrijf CASC en aangesloten onderzoeksinstituten zijn eigen motorfamilies zoals de YF-100, als onderdeel van een breder streven naar onafhankelijke ruimtevaartcapaciteit. Het Amerikaans-Nieuw-Zeelandse bedrijf Rocket Lab onderscheidt zich met zijn elektrisch aangedreven Rutherford-motor voor kleinere lanceervoertuigen. Ook Europese partijen volgen de ontwikkelingen op de voet, al ligt de nadruk van het Europese ruimtevaartprogramma van ESA voor zijn nieuwste raketten voornamelijk op andere brandstofcombinaties.