Zonthermische voortstuwing: raketten op geconcentreerd zonlicht
Stel je een vergrootglas voor waarmee je op een zonnige dag een propje papier laat vlam vatten. Zonthermische voortstuwing werkt volgens hetzelfde principe, maar dan op de schaal van een ruimtevaartuig en met een ander doel: niet iets laten branden, maar een gas zo heet maken dat het met kracht uit een motor spuit. In plaats van een vergrootglas gebruikt een ruimtevaartuig grote, lichte spiegels die zonlicht bundelen op een klein oppervlak. Daar wordt de warmte overgedragen aan een stuwstof — meestal waterstofgas — die vervolgens door een mondstuk (de nauwe uitlaatopening van een raketmotor) naar buiten schiet en het vaartuig vooruit duwt.
Het idee bestaat al sinds de jaren zeventig, maar is nooit de gangbare manier geworden om ruimtevaartuigen voort te stuwen. Toch duikt het geregeld op in plannen voor toekomstige missies, omdat het een tussenweg belooft tussen twee bekendere technieken: de krachtige maar ‘dorstige’ chemische raketmotor, zoals bij een Falcon 9, en de zuinige maar zwakke elektrische ionenmotor die satellieten en ruimtesondes langzaam maar efficiënt voortstuwt. Zonthermische voortstuwing belooft iets van beide: meer stuwkracht dan een ionenmotor, en een hogere brandstofefficiëntie dan een chemische motor — zonder dat er iets wordt verbrand.
Wat is het precies?
Een zonthermisch voortstuwingssysteem bestaat grofweg uit drie onderdelen. Ten eerste een concentrator: een spiegel of lens, vaak gemaakt van dun, opblaasbaar of uitvouwbaar materiaal, die zonlicht bundelt tot een klein, gloeiend heet punt of vlak. Hoe groter de concentrator, hoe meer zonne-energie er wordt opgevangen.
Ten tweede is er een absorptie- of warmtewisselaareenheid: een hittebestendig onderdeel, vaak gemaakt van keramiek of speciale metaallegeringen, dat de geconcentreerde straling opvangt en omzet in warmte. Temperaturen kunnen hier oplopen tot boven de 2000 graden Celsius — vergelijkbaar met de temperatuur in de verbrandingskamer van een chemische raket, maar dan zonder vlam of explosieve reactie.
Ten derde stroomt een stuwstof — meestal waterstof, omdat dat het lichtste element is en daardoor de beste efficiëntie oplevert — langs of door deze hete kern. Het gas zet enorm uit, wordt via het mondstuk naar buiten geleid en verlaat het vaartuig met hoge snelheid. Volgens de bekende bewegingswet van Newton (actie is reactie) levert dat stuwkracht op in de tegenovergestelde richting.
De prestaties van een voortstuwingssysteem worden vaak uitgedrukt in specifieke impuls: een maat die aangeeft hoe efficiënt een motor met zijn stuwstof omgaat. Hoe hoger de specifieke impuls, hoe minder brandstof nodig is voor eenzelfde snelheidswinst. Chemische motoren halen doorgaans een specifieke impuls van 300 tot 450 seconden. Zonthermische systemen worden op papier en in tests geschat op ongeveer 600 tot 900 seconden, afhankelijk van de bereikte temperatuur en het gebruikte gas. Elektrische ionenmotoren halen weer veel hogere waarden, tot ruim 3000 seconden, maar leveren daarbij slechts een fractie van de stuwkracht.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van zonthermische voortstuwing is een gunstige balans tussen snelheid en brandstofverbruik voor missies binnen het zonnestelsel, met name richting Mars, voordat de afstand tot de zon te groot wordt om nog bruikbare hoeveelheden energie op te vangen.
Anders dan bij zonne-elektrische voortstuwing hoeft het zonlicht niet eerst te worden omgezet in elektriciteit via zonnepanelen en vervolgens weer in stuwkracht via een ionenmotor. Elke omzetting kost rendement. Bij zonthermische voortstuwing wordt de warmte in principe direct gebruikt, wat minder zware en kwetsbare apparatuur zou vereisen, zoals grote batterijen en stroomregelaars.
Onderzoekers noemen ook toepassingen dichter bij huis: het sneller en met minder brandstof verplaatsen van satellieten tussen banen rond de aarde, of het aandrijven van een bovenste trap — het laatste, kleine motorgedeelte van een raket dat een satelliet naar zijn uiteindelijke baan brengt. Omdat er geen zware tanks voor twee aparte chemicaliën (brandstof én oxidator) nodig zijn, alleen waterstof, zou een zonthermisch systeem in theorie lichter en compacter kunnen zijn dan een vergelijkbare chemische bovenste trap.
Voorbeelden uit de praktijk
Hoewel zonthermische voortstuwing nooit de hoofdmotor van een operationele ruimtemissie is geweest, zijn er wel concrete projecten en experimenten geweest die de techniek een stap verder brachten:
- Integrated Solar Upper Stage (ISUS), jaren negentig. Het Amerikaanse Air Force Research Laboratory werkte samen met de motorbouwer Rocketdyne aan een zonthermische bovenste trap die zowel stuwkracht als elektriciteit voor een satelliet moest leveren. De hardware is uitgebreid op de grond getest, maar heeft — voor zover gedocumenteerd — nooit daadwerkelijk in de ruimte gevlogen; een geplande vluchtdemonstratie is uiteindelijk niet doorgegaan.
- L’Garde Inc. en het Inflatable Antenna Experiment, 1996. Dit Amerikaanse bedrijf, gespecialiseerd in lichtgewicht opblaasbare ruimtestructuren, ontwikkelde technologie die ook is voorgesteld als concentrator voor zonthermische voortstuwing. De onderliggende opblaastechniek werd in 1996 tijdens spaceshuttlemissie STS-77 getest, waarbij een grote opblaasbare structuur van tientallen meters in de ruimte werd ontvouwd — een mijlpaal voor lichtgewicht, uitklapbare spiegels in het algemeen.
- NASA-ontwerpstudies voor Mars- en maanmissies, jaren negentig. NASA-centra en industriële partners onderzochten of zonthermische bovenste trappen sneller en met minder massa naar Mars of de maan konden reizen dan chemische alternatieven. Deze studies bleven beperkt tot papieren ontwerpen en losse motortests op de grond.
- Academisch onderzoek naar kleinschalige toepassingen, jaren 2010 en later. Verschillende universitaire onderzoeksgroepen bestuderen of een sterk verkleinde versie van zonthermische voortstuwing bruikbaar is voor kleine satellieten (CubeSats), waarbij concentrator en warmtewisselaar in een volume van enkele liters moeten passen. Deze systemen hebben nog niet gevlogen, maar laten zien hoe de techniek op kleine schaal opnieuw relevant kan worden.
Hoe ver is de techniek?
Zonthermische voortstuwing bevindt zich al decennia in een vroeg ontwikkelingsstadium en is daar, op grondtests na, nooit echt uit gekomen. De belangrijkste bouwstenen — concentratoren, hittebestendige warmtewisselaars en waterstofopslag — zijn stuk voor stuk apart al vaker getest, maar zijn nooit gecombineerd tot een compleet systeem dat daadwerkelijk in de ruimte heeft gevlogen.
Een belangrijk obstakel is het bewaren van vloeibare waterstof. Waterstof moet worden gekoeld tot ongeveer min 253 graden Celsius om vloeibaar te blijven, en verdampt geleidelijk zelfs in een goed geïsoleerde tank — een verschijnsel dat wel ‘boil-off’ wordt genoemd. Voor korte missies is dat te overzien, maar voor lange reizen naar bijvoorbeeld Mars is het een serieuze technische uitdaging.
Een tweede obstakel is het nauwkeurig richten en stabiel houden van de concentrator. Een grote, lichte spiegel moet voortdurend haarscherp op de zon gericht blijven, ook terwijl het vaartuig manoeuvreert — een precisie-eis die met de grootte van de spiegel toeneemt.
Ten derde neemt de hoeveelheid beschikbare zonlicht snel af naarmate een vaartuig verder van de zon komt. Voorbij de baan van Mars levert een zonthermisch systeem nauwelijks nog bruikbare stuwkracht, wat de toepassing in de praktijk beperkt tot het binnenste deel van het zonnestelsel.
Door deze combinatie van factoren wordt zonthermische voortstuwing meestal omschreven als technologisch veelbelovend, maar nog altijd laag op de ladder van technology readiness levels (TRL), de schaal van 1 tot 9 die aangeeft hoe volwassen een technologie is. Losse onderdelen zijn getest, maar een compleet, ruimtevaartklaar systeem bestaat vooralsnog niet. Het is eerlijk om te zeggen dat niemand met zekerheid kan voorspellen of, en wanneer, dat wel gaat gebeuren.
Wie werken eraan?
Historisch gezien is de ontwikkeling van zonthermische voortstuwing vooral gedreven door Amerikaanse partijen. Het Air Force Research Laboratory financierde de belangrijkste testprogramma’s, met Rocketdyne — tegenwoordig onderdeel van Aerojet Rocketdyne — als bouwer van motoren en warmtewisselaars. NASA droeg via verschillende onderzoekscentra bij aan ontwerpstudies, vooral gericht op missies naar Mars en de maan.
L’Garde Inc. leverde relevante concentratortechniek en bouwde voort op die kennis voor latere projecten met opblaasbare of uitvouwbare spiegels en zonnezeilen.
Op dit moment is er geen groot, actief gefinancierd vluchtprogramma voor zonthermische voortstuwing bekend. Het onderzoek dat nu plaatsvindt, is voornamelijk academisch: universitaire onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten en Europa bestuderen kleinschalige toepassingen en materiaalverbeteringen, vaak in de context van CubeSat-ontwerpen. Ook de European Space Agency heeft in bredere studies naar geavanceerde voortstuwingsconcepten weleens naar zonthermische systemen gekeken, zonder dat dit tot een concreet vluchtprogramma heeft geleid.