Methaan-zuurstofmotor: de nieuwe generatie raketmotoren
Een methaan-zuurstofmotor, in de ruimtevaart vaak kortweg 'methalox' genoemd, is een raketmotor die brandt op vloeibaar methaan (het hoofdbestanddeel van aardgas) en vloeibare zuurstof. De twee stoffen worden apart in ijskoude tanks meegenomen en pas in de verbrandingskamer bij elkaar gebracht, waar ze exploderen tot een gecontroleerde straal hete gassen die de raket vooruitstuwt. Vergelijk het met een gasfornuis: het gas alleen doet niets, de zuurstof uit de lucht alleen ook niet, maar samen en aangestoken ontstaat een vlam. In een raketmotor gebeurt hetzelfde, alleen moet de zuurstof worden meegenomen omdat er in de ruimte geen lucht is, en gebeurt de verbranding duizenden keren heftiger.
Decennialang gebruikten de meeste raketten kerosine (een soort petroleum) of waterstof als brandstof, gecombineerd met zuurstof. Methaan is de nieuwkomer die sinds het midden van de jaren 2010 door meerdere ruimtevaartbedrijven is omarmd, van SpaceX tot Chinese start-ups. De reden is een combinatie van techniek en ambitie: methaan verbrandt schoner dan kerosine, is makkelijker te verpompen dan waterstof, en kan in theorie zelfs op Mars worden gemaakt. Dat maakt de methaan-zuurstofmotor een van de meest besproken technologieën in de huidige ruimtevaart, al is de techniek nog volop in ontwikkeling.
Wat is het precies?
Een raketmotor werkt op het principe van actie en reactie: gassen worden met hoge snelheid naar achteren uitgestoten, waardoor de raket naar voren wordt geduwd. Om die gassen te maken, verbrandt de motor een brandstof (methaan) met een oxidator, de stof die de verbranding mogelijk maakt (zuurstof). Omdat er in de ruimte geen zuurstof uit de lucht beschikbaar is, moet die worden meegenomen, in vloeibare vorm om de tanks compact te houden.
Vloeibare zuurstof kookt bij ongeveer -183 graden Celsius, vloeibaar methaan bij ongeveer -162 graden. Dat scheelt maar 21 graden, waardoor beide stoffen op vergelijkbare, extreem lage temperaturen bewaard kunnen worden. Dat is een technisch voordeel: het maakt het isoleren van de tanks en het ontwerpen van de leidingen eenvoudiger dan bij waterstof, dat pas bij -253 graden vloeibaar wordt en daardoor veel lastiger op te slaan is.
De manier waarop brandstof en oxidator de verbrandingskamer instromen, heet de 'cyclus' van de motor. Bij de meest geavanceerde methaanmotoren, zoals de Raptor-motor van SpaceX, wordt de zogeheten 'full-flow staged combustion cycle' gebruikt. Daarbij wordt zowel de volledige stroom methaan als de volledige stroom zuurstof eerst apart voorverbrand tot heet gas, voordat beide gasstromen in de hoofdverbrandingskamer samenkomen. Dit klinkt technisch, maar het komt erop neer dat er nergens vloeistof rechtstreeks de hete kern van de motor instroomt, wat de motor efficiënter en minder aan slijtage onderhevig maakt. Deze cyclus staat al decennia bekend als de 'heilige graal' onder motorontwerpers omdat hij zo lastig te beheersen is; pas met de Raptor is hij op grote schaal operationeel geworden.
Een praktisch voordeel van methaan ten opzichte van kerosine is dat het schoner verbrandt. Kerosine laat bij verbranding een soort roetlaag achter in de motor, ook wel 'coking' genoemd, wat onderdelen aantast en na elke vlucht grondig onderhoud vereist. Methaan laat veel minder aanslag achter, wat in theorie motoren oplevert die na een vlucht sneller opnieuw inzetbaar zijn.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter de methaan-zuurstofmotor is herbruikbaarheid. Raketten die na een lancering terugkeren en meerdere keren opnieuw kunnen worden gebruikt, moeten motoren hebben die weinig slijten en snel te inspecteren zijn. Omdat methaan minder roet achterlaat dan kerosine, hopen ingenieurs de tijd en kosten tussen twee vluchten flink te verlagen.
Een tweede, meer futuristische drijfveer is het maken van brandstof op andere planeten, met name Mars. De atmosfeer van Mars bestaat voor het grootste deel uit koolstofdioxide (CO2). Met een chemisch proces dat de Sabatier-reactie heet, kan CO2 samen met waterstof worden omgezet in methaan en water. In theorie zou een basis op Mars daardoor met lokale grondstoffen zijn eigen raketbrandstof kunnen produceren voor de terugreis, in plaats van alles vanaf de aarde mee te slepen. Dit idee, In-Situ Resource Utilization (ISRU) genoemd, is een belangrijke reden waarom SpaceX bewust voor methaan heeft gekozen bij het ontwerp van Starship.
Daarnaast biedt methaan een tussenweg qua prestaties: het levert een hogere specifieke impuls (een maat voor de efficiëntie van een raketmotor) dan kerosine, maar is veel dichter en makkelijker te hanteren dan waterstof. Dat maakt kleinere, lichtere tanks mogelijk dan bij waterstofmotoren, terwijl de motor toch efficiënter blijft dan een kerosinemotor.
Voorbeelden uit de praktijk
SpaceX Raptor (Verenigde Staten) is de bekendste methaanmotor. Hij drijft de Starship-raket aan, die sinds 2023 een reeks testvluchten vanuit Zuid-Texas heeft uitgevoerd, met wisselend succes: sommige vluchten eindigden in explosies, andere bereikten de ruimte en een gecontroleerde herintrede. SpaceX werkt continu aan nieuwe Raptor-versies om vermogen en betrouwbaarheid te verbeteren.
Landspace Zhuque-2 (China) schreef in juli 2023 geschiedenis: deze Chinese raket, aangedreven door de methaanmotor TQ-12, was wereldwijd de eerste methaan-zuurstofraket die daadwerkelijk een baan om de aarde bereikte, nog vóór Starship of andere westerse concurrenten.
Blue Origin BE-4 is een methaanmotor die niet alleen Blue Origins eigen New Glenn-raket aandrijft, maar ook wordt gebruikt in de Vulcan Centaur-raket van United Launch Alliance (ULA). Vulcan Centaur voerde begin 2024 zijn eerste succesvolle lancering uit.
Relativity Space Terran 1 (Verenigde Staten) was een grotendeels 3D-geprinte raket met methaanmotoren genaamd Aeon. Bij de eerste testvlucht in maart 2023 bereikte de raket de ruimte, maar door een storing in de tweede trap werd geen omloopbaan bereikt. Relativity richt zich inmiddels op een groter vervolgontwerp.
Rocket Lab Archimedes is een methaanmotor die wordt ontwikkeld voor de nieuwe, gedeeltelijk herbruikbare Neutron-raket. Ook ArianeGroup werkt, met steun van het Europese ruimtevaartagentschap ESA, aan een herbruikbare methaanmotor genaamd Prometheus, bedoeld om de kosten van toekomstige Europese raketten fors te verlagen.
Hoe ver is de techniek?
De methaan-zuurstofmotor is niet langer experimenteel, maar ook nog geen volwassen, bewezen technologie zoals de kerosinemotoren die al tientallen jaren vliegen. De Zhuque-2 en de BE-4 (via Vulcan Centaur) hebben laten zien dat methaanraketten betrouwbaar een baan om de aarde kunnen bereiken. Tegelijk blijft het ontwikkelen van deze motoren notoir lastig: SpaceX heeft bij het testen van de Raptor-motor en Starship meerdere explosies en mislukte vluchten meegemaakt, wat typisch is voor een nieuwe, complexe technologie die tot het uiterste wordt doorontwikkeld.
Een belangrijk obstakel is dat de full-flow staged combustion cycle, hoewel efficiënt, extreem hoge drukken en temperaturen met zich meebrengt, wat hoge eisen stelt aan materialen en fabricage. Ook is er nog geen enkele methaanmotor die op een andere planeet daadwerkelijk brandstof heeft gemaakt en gebruikt; het Mars-scenario met de Sabatier-reactie is vooralsnog theorie en kleinschalige laboratoriumtechniek, geen bewezen praktijk in de ruimte. Herbruikbaarheid van methaanmotoren wordt in de praktijk pas goed zichtbaar zodra motoren tientallen keren zijn hergebruikt, iets wat nog in een vroeg stadium verkeert vergeleken met bijvoorbeeld de kerosine-Merlin-motoren van SpaceX's Falcon 9.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten lopen voorop met meerdere bedrijven: SpaceX (Raptor), Blue Origin (BE-4), Relativity Space (Aeon) en Rocket Lab (Archimedes). ULA gebruikt de BE-4 van Blue Origin in zijn Vulcan Centaur-raket. In China ontwikkelen meerdere private ruimtevaartbedrijven, waaronder Landspace en iSpace, actief methaanmotoren, met staatssteun en in nauwe samenwerking met het Chinese ruimtevaartprogramma. In Europa werkt ArianeGroup samen met het Europese ruimtevaartagentschap ESA aan de Prometheus-motor, mede gefinancierd door Franse en Duitse overheidsmiddelen. Deze bredere internationale inzet weerspiegelt hoe methaan wordt gezien als een strategisch belangrijke technologie voor de volgende generatie raketten.