Propellantproductie: raketbrandstof maken waar je hem nodig hebt
Propellantproductie is het maken van raketbrandstof niet op Earth, maar op de plek waar een ruimtevaartuig hem straks nodig heeft: op de Maan, op Mars of zelfs in een baan om de aarde. In plaats van alle brandstof voor een hele missie vanaf de start mee te zeulen, wint men grondstoffen ter plaatse en zet die om in bruikbare raketbrandstof. In de ruimtevaart wordt dit vaak aangeduid met de term ISRU, In-Situ Resource Utilization, oftewel het gebruiken van lokale hulpbronnen.
Een vergelijking maakt het concreet. Stel je gaat een lange roadtrip maken en je zou al je benzine voor de hele reis in je auto moeten meenemen: de wagen zou zo zwaar worden dat hij nauwelijks nog kan rijden. In de praktijk tank je onderweg bij, bij tankstations die de brandstof lokaal produceren of aanvoeren. Propellantproductie is precies dat idee, maar dan voor de ruimte: een 'tankstation' bouwen op Mars, op de Maan of in een baan om de aarde, zodat een raket niet alles van huis uit hoeft mee te nemen.
Wat is het precies?
De basis is scheikunde. Raketten verbranden meestal een brandstof (zoals waterstof of methaan) met een oxidator (meestal zuurstof) om stuwkracht te leveren. Beide stoffen moeten ergens vandaan komen, en dat hoeft niet per se de aarde te zijn.
Op Mars is de dampkring voor ruim 95 procent koolstofdioxide (CO2). Met een chemisch proces genaamd de Sabatier-reactie kan CO2 samen met waterstof (H2) worden omgezet in methaan (CH4) en water. Het methaan is bruikbaar als raketbrandstof, en het water kan met elektrolyse worden gesplitst in waterstof en zuurstof: de zuurstof dient als oxidator, het waterstof kan weer terug de Sabatier-reactor in. Er bestaat ook een eenvoudigere route waarbij alleen zuurstof uit CO2 wordt gehaald, via elektrolyse van kooldioxide zelf.
Op de Maan ligt het anders: er is geen bruikbare dampkring, maar wel waterijs, dat is aangetroffen in permanent beschaduwde kraters bij de polen waar het nooit warmer wordt dan min honderd graden Celsius. Dat ijs kan worden opgegraven, gesmolten en met elektrolyse gesplitst in waterstof en zuurstof, die samen een krachtige raketbrandstofcombinatie vormen.
Een derde vorm van propellantproductie speelt zich af in de ruimte zelf: orbitale bevoorradingsdepots. Daarbij wordt brandstof niet ter plekke gemaakt, maar vanaf de aarde of de Maan naar een baan om de aarde gebracht en daar overgepompt van het ene ruimtevaartuig naar het andere, zodat een raket pas op volle capaciteit aan de lange reis begint.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is gewicht besparen. Brandstof voor de terugreis meenemen vanaf de aarde is enorm zwaar en duur: elke kilo die een raket de ruimte in moet tillen, kost extra brandstof om die kilo te lanceren. Als je brandstof voor de terugreis pas op de bestemming maakt, hoeft een ruimtevaartuig alleen heen te vliegen met een lege of kleinere tank, wat de missie veel goedkoper en haalbaarder maakt.
Daarnaast is het een voorwaarde voor herhaald, betaalbaar ruimtereizen. Zonder lokale brandstofproductie moet elke terugreis van bijvoorbeeld Mars naar de aarde volledig met aarde-brandstof worden voorbereid, wat de kosten en complexiteit torenhoog maakt. Met een 'tankstation' op de bestemming wordt een retourvlucht ineens een stuk realistischer.
Tot slot hoort propellantproductie bij het bredere streven naar een duurzame, blijvende aanwezigheid buiten de aarde: onderzoeksstations op de Maan of Mars die niet afhankelijk zijn van dure, zeldzame bevoorradingsvluchten vanaf de aarde.
Voorbeelden uit de praktijk
MOXIE (NASA, 2021-2023): aan boord van de Mars-rover Perseverance zat het instrument MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment). Het zette CO2 uit de Mars-atmosfeer om in zuurstof, in kleine hoeveelheden van enkele grammen per uur. Het was de eerste keer dat er daadwerkelijk zuurstof uit lokale grondstoffen op een andere planeet werd geproduceerd.
SpaceX Starship en Mars-ISRU: SpaceX heeft aangekondigd dat toekomstige Starship-missies naar Mars een Sabatier-reactor zullen meenemen om methaan en zuurstof te maken voor de terugvlucht. Dit onderdeel van het plan is tot dusver alleen op papier en in kleine testopstellingen uitgewerkt, niet op Mars zelf gedemonstreerd.
NASA VIPER en lunaire waterijsverkenning: NASA ontwikkelde de rover VIPER (Volatiles Investigating Polar Exploration Rover) om waterijs op de zuidpool van de Maan in kaart te brengen, als voorbereiding op toekomstige ISRU-installaties. De missie werd in 2024 om kostenredenen geannuleerd, wat laat zien hoe kwetsbaar dit soort programma's nog zijn.
PROSPECT (ESA): het Europese ruimteagentschap ontwikkelde het instrument PROSPECT, bedoeld om op de Maan te boren en te testen of water en andere vluchtige stoffen uit de bodem gewonnen kunnen worden. Het was gepland voor de Russische Luna-27-missie, die vertraging heeft opgelopen en waarvan de toekomst onzeker is na de verslechterde samenwerking met Rusland.
Orbit Fab (opgericht 2018): dit Amerikaanse bedrijf werkt aan een gestandaardiseerde 'tankdop' (RAFTI-koppelstuk) en depots voor het bijtanken van satellieten in een baan om de aarde. In 2021 demonstreerde het bedrijf een watertransfer naar het ruimtestation ISS als test, een eerste stap richting echte orbitale brandstofdepots.
Hoe ver is de techniek?
De ontwikkeling verschilt sterk per toepassing. Zuurstofproductie uit CO2, zoals bij MOXIE, is bewezen te werken op Mars, maar dan op laboratoriumschaal: MOXIE produceerde hooguit tientallen grammen zuurstof per uur, terwijl een bemande retourvlucht tonnen zuurstof en brandstof nodig heeft. Er is dus nog een enorme opschaling nodig, met apparatuur die zwaarder, stroomhongeriger en complexer is dan wat tot nu toe naar Mars is gestuurd.
Sabatier-reactoren zelf zijn geen nieuwe technologie: ze worden al decennia gebruikt, onder meer op het internationale ruimtestation ISS om water terug te winnen uit kooldioxide dat astronauten uitademen. Het nieuwe is niet de chemie, maar het toepassen ervan op grote schaal, onder de extreme omstandigheden van Mars of de Maan, met apparatuur die autonoom en jarenlang betrouwbaar moet functioneren zonder onderhoud door mensen.
Voor de Maan is het probleem meer praktisch: er is nog nooit ijs op de Maan zelf ontgonnen en verwerkt. Metingen van orbiters en inslagmissies wijzen sterk op de aanwezigheid van waterijs in schaduwkraters, maar de exacte hoeveelheid, diepte en toegankelijkheid ervan is nog onvoldoende in kaart gebracht, mede doordat missies zoals VIPER zijn uitgesteld of geschrapt.
Orbitale bevoorrading is technisch al deels bewezen (brandstoftransfer in de ruimte is eerder gedaan bij bijvoorbeeld het ISS), maar een volledig commercieel, herhaalbaar depot-systeem voor grote raketten zoals Starship bestaat nog niet. Zulke systemen vereisen dat cryogene brandstoffen als vloeibare zuurstof en methaan, die extreem koud moeten blijven, langdurig in de ruimte bewaard en overgepompt kunnen worden zonder noemenswaardig verlies door verdamping, een uitdaging die nog niet op grote schaal is opgelost.
Kortom: losse bouwstenen van propellantproductie zijn aangetoond te werken, maar een compleet, op ware grootte functionerend systeem, of dat nu op Mars, de Maan of in een baan om de aarde is, bestaat anno 2026 nog nergens.
Wie werken eraan?
NASA is een van de grootste spelers, via het Jet Propulsion Laboratory (verantwoordelijk voor MOXIE) en het Artemis-programma, dat lunaire ISRU als langetermijndoel heeft. SpaceX ontwikkelt Sabatier-technologie in het kader van zijn Starship-programma, gericht op Mars. Het Europese ruimteagentschap ESA werkt aan instrumenten als PROSPECT en aan studies naar lunaire hulpbronnenwinning.
Op het gebied van orbitale brandstofdepots is Orbit Fab een van de bekendste commerciële bedrijven, naast initiatieven van grotere partijen zoals de Amerikaanse ruimtemacht (US Space Force), die geïnteresseerd is in het bijtanken van satellieten. Ook Japanse (JAXA, het bedrijf ispace) en Indiase (ISRO) ruimtevaartorganisaties doen onderzoek naar lunaire hulpbronnen, evenals China's ruimteagentschap CNSA, dat eigen plannen heeft voor een onbemand Maanstation.
Daarnaast dragen universitaire onderzoeksgroepen bij, zoals het Center for Space Resources aan de Colorado School of Mines in de Verenigde Staten, dat zich specifiek toelegt op de technische en juridische aspecten van hulpbronnenwinning buiten de aarde.