Stuwstoftank
Een stuwstoftank is simpelweg de tank in een raket of ruimtevaartuig waarin de brandstof en vaak ook de zuurstofbron voor de motor worden bewaard. Het woord "stuwstof" is Nederlands voor propellant: het mengsel van brandstof en oxidator dat verbrandt en zo de stuwkracht levert waarmee een raket de lucht in gaat. Zonder stuwstoftank geen voorraad brandstof, en zonder voorraad geen raketmotor die blijft branden.
Een goede vergelijking is de brandstoftank van een auto, maar dan met extreme eisen. Waar een benzinetank gewoon op de bodemplaat hangt en bij kamertemperatuur blijft, moet een stuwstoftank soms vloeistof bevatten van min 253 graden Celsius (vloeibare waterstof), enorme drukverschillen aankunnen, zo licht mogelijk zijn om geen extra gewicht de ruimte in te hoeven lanceren, en toch niet lekken of scheuren tijdens de hevige trillingen van een lancering. Het ontwerpen van zo'n tank is daarom een van de lastigste en meest onderschatte onderdelen van raketbouw.
Wat is het precies?
Een stuwstoftank bestaat meestal uit een drukvat: een gesloten metalen of composiet omhulsel dat de vloeibare stuwstof onder druk houdt. Veelgebruikte materialen zijn aluminium-lithiumlegeringen (licht en sterk), roestvast staal (goedkoop, hittebestendig, gebruikt door onder meer SpaceX in de Starship-raket) en koolstofvezelcomposiet gewikkeld om een dunne metalen binnenwand, de zogeheten composite overwrapped pressure vessel of COPV.
Bij cryogene stuwstoffen zoals vloeibare zuurstof en vloeibare waterstof speelt isolatie een grote rol. Deze vloeistoffen koken constant een beetje weg ("boil-off") door warmte van buitenaf, wat tot drukopbouw en stuwstofverlies leidt. Tanks krijgen daarom een isolatielaag van schuim of meerlaagse folie (multi-layer insulation), vergelijkbaar met een thermosfles maar dan op industriële schaal.
Een ander probleem is dat vloeistof zich in gewichtloosheid niet gedraagt zoals op aarde: zonder zwaartekracht "zakt" de brandstof niet naar de uitlaat van de tank, maar zweeft ze rond. Ingenieurs lossen dit op met propellant management devices: schotten, zeven en capillaire structuren die de vloeistof via oppervlaktespanning naar de uitgang leiden. Ook wordt de tank vaak onder lichte druk gezet met een inert gas zoals helium, of met het eigen verdampte gas van de stuwstof zelf (autogene druk), zodat de motor altijd een gelijkmatige toevoer krijgt.
Wat wil men ermee bereiken?
De kern van het probleem is gewicht. Bij een raketlancering bestaat het grootste deel van de massa uit stuwstof, niet uit nuttige lading. Elke kilo die bespaard wordt op de tank zelf, is een kilo extra ruimte voor satellieten, wetenschappelijke instrumenten of bemanning. Lichtere en sterkere tanks betekenen dus direct een grotere of goedkopere raket.
Daarnaast willen ruimtevaartorganisaties en bedrijven raketten en ruimtevaartuigen herbruikbaar maken. Een tank die telkens opnieuw de hitte van terugkeer, de kou van de ruimte en de trillingen van lancering moet doorstaan zonder scheuren, is cruciaal voor raketten die meerdere keren vliegen, zoals de Falcon 9 en Starship van SpaceX.
Voor missies naar de maan, Mars of verder is er nog een derde doel: stuwstof lange tijd bewaren zonder dat het wegkookt, en zelfs stuwstof overpompen van de ene tank naar de andere terwijl beide in een baan om de aarde zweven. Dit laatste heet in-orbit refueling of bijtanken in de ruimte, en wordt gezien als een sleuteltechnologie om grote missies mogelijk te maken zonder reusachtige raketten in één keer te hoeven lanceren.
Voorbeelden uit de praktijk
SpaceX Starship (vanaf 2019) gebruikt tanks van roestvast staal in plaats van de gebruikelijke aluminiumlegeringen, omdat staal goedkoper is, beter tegen hitte kan en bij lage temperaturen juist sterker wordt. In 2024 voerde SpaceX tijdens een testvlucht een demonstratie uit waarbij stuwstof tussen twee tanks binnen hetzelfde voertuig werd overgepompt, een belangrijke stap richting bijtanken tussen twee aparte ruimtevaartuigen.
James Webb-ruimtetelescoop (gelanceerd in 2021) heeft titanium stuwstoftanks aan boord voor de kleine stuwraketjes waarmee de telescoop zijn positie op anderhalf miljoen kilometer van de aarde fijn bijstuurt. Titanium is gekozen vanwege zijn lichte gewicht en bestendigheid tegen de bijtende stuwstof hydrazine.
Orbit Fab, een Amerikaans bedrijf opgericht in 2018, ontwikkelt gestandaardiseerde "tankstations" en koppelingen (RAFTI genaamd) waarmee satellieten in een baan om de aarde bijgetankt kunnen worden. In 2021 lanceerde het bedrijf een testtank, bijgenaamd Tenzing, om dit concept te beproeven.
NASA's Robotic Refueling Mission, tussen 2011 en 2018 uitgevoerd op het Internationale Ruimtestation, testte met een robotarm technieken om verzegelde stuwstoftanks van bestaande satellieten te openen en bij te vullen, iets waar de meeste satellieten oorspronkelijk nooit voor waren ontworpen.
ArianeGroup bouwt voor de Europese Ariane 6-raket aluminium stuwstoftanks voor de bovenste trap, die vloeibare waterstof en vloeibare zuurstof bevatten en zijn uitgerust met herstartbare motoren, wat vraagt om langere en stabielere opslag van cryogene stuwstof dan bij eenmalig gebruikte trappen.
Hoe ver is de techniek?
Gewone, niet-cryogene stuwstoftanks zijn een volwassen techniek: raketten gebruiken ze al sinds de jaren vijftig en zestig zonder fundamentele veranderingen in het basisprincipe. De uitdagingen zitten tegenwoordig vooral in drie richtingen die nog volop in ontwikkeling zijn.
Ten eerste lichtgewicht composiettanks voor cryogene stuwstof. NASA testte dit met het Composite Cryotank Technologies and Demonstration-programma, in samenwerking met Boeing, met tanktests rond 2014 en 2015. De resultaten waren veelbelovend qua gewichtsbesparing, maar composietmaterialen blijven gevoeliger voor microscheurtjes bij herhaald gebruik dan metaal.
Ten tweede langdurige opslag zonder boil-off, relevant voor missies naar Mars die maanden onderweg zijn. Hier wordt gewerkt aan actieve koelsystemen die de verdamping tegengaan, in plaats van alleen passieve isolatie.
Ten derde bijtanken in de ruimte. Dit is nog grotendeels experimenteel. De techniek om twee ruimtevaartuigen veilig aan elkaar te koppelen en vloeistof in gewichtloosheid over te pompen, is bewezen mogelijk maar nog niet routinematig of gestandaardiseerd. Er bestaat nog geen universele "tankdop" waarmee verschillende fabrikanten elkaars voertuigen kunnen bijtanken, wat de praktische opschaling vertraagt.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn NASA (met name het Glenn Research Center, gespecialiseerd in cryogene stuwstoftechniek, en het Marshall Space Flight Center), SpaceX, Blue Origin en United Launch Alliance de belangrijkste spelers. Commerciële nichespelers zoals Orbit Fab en Northrop Grumman richten zich specifiek op bijtanken en levensduurverlenging van bestaande satellieten.
In Europa werkt ArianeGroup aan tanks voor de Ariane-raketten, met ondersteuning van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, die ook eigen onderzoeksprogramma's heeft naar cryogene stuwstofbeheersing voor toekomstige missies. Japan draagt bij via het ruimtevaartagentschap JAXA, onder meer met onderzoek naar herbruikbare bovenste trappen. China ontwikkelt via zijn staatsruimtevaartprogramma eigen cryogene tanktechniek voor de Lange Mars-raketten, al is daarover minder in detail gepubliceerd dan over de Amerikaanse en Europese programma's.