De tweede jeugd van de Hybride raketmotor?

Ergens in april, mei begint het ‘studentenprojectenseizoen’, altijd een leuke periode. Ik vind ze natuurlijk allemaal geweldig, maar vanuit mijn achtergrond heb ik een extra zwak voor onze raketvereniging DARE. Ze bereiden momenteel de test voor van de zwaarste raketmotor die ze ooit hebben gebouwd (waarschijnlijk überhaubt ooit door studenten): Stratos-II. Zoals de naam al verraadt moet die raket eind dit jaar met een lading experimenten naar 50 km, en wat later zelfs naar 100 km, de grens van de ruimte. Een vastebrandstofraket bouwen voor zulke hoogte is veel te gevaarlijk, een vloeibare veel te ingewikkeld. Dus bouwen ze een Hybride, met als opmerkelijke brandstof een mix van kaarsvet, koffiezoetjes en aluminiumpoeder (no kidding).  En opvallend genoeg zijn ze momenteel niet de enige die dit enigszins vergeten concept uit de kast gehaald hebben. de hybride raket lijkt de laatste jaren aan een opmars bezig. Vorige week zagen we de eerste testvlucht van Richard Branson’s SpaceShip Two, met –jawel- een hybride motor. Het concept wordt ook ontwikkeld voor de Dream Chaser, die er zelfs ooit astronauten mee naar ISS moet brengen. En een paar  jaar geleden dook ie op in een van de meest briljante Top Gear afleveringen: die waar ze een Robin Reliant tot Space Shuttle probeerden om te bouwen. Opmerkelijk, omdat het motorconcept na een korte fase in sonderingsraketten in de jaren zestig nooit echt serieus is gebruikt.   Voor wie het wil weten, een kort introductie in de drie typen raketmotoren.

1. De vastebrandstofmotor

Eigenlijk is dat niet veel meer dan een dikke holle buis, gemaakt van een mengsel van een brandstof en een oxidator (=iets met zuurstof). Zodra je dat ontsteekt, brandt de buis van binnenuit leeg en de loeihete uitlaatgassen stuwen je raket omhoog. Uitermate simpel en je kunt er heel hoge stuwkrachten meehalen. Alleen  is de efficiëntie niet erg hoog. Die druk je bij een raket uit in de specifieke impuls, de maat voor de stuwkracht per kilogram brandstof. Een hoge specifieke impuls zorgt dat je meer ‘nuttige lading’ kan meenemen, en dus gaat de prijs per kilogram omlaag. (om een idee te geven: een pak suiker in een baan om de aarde brengen kost ergens tussen de 10.000 en 20.000 euro. Een beetje prijsbewust zijn loont dus wel) Vrijwel alle vastebrandstofraketten gebruiken APCP, een mix van Ammonium Perchloraat (de oxidator) en aluminiumpoeder.  Vastebrandstofmotoren zijn door hun eenvoud heel betrouwbaar en hebben ook als voordeel dat je ze probleemloos tientallen jaren kunt bewaren. Het zal je niet verbazen dat je ze dus in strategische langeafstandswapens vindt, de minder vredelievende tak van rakettechnologie. En het zal duidelijk zijn dat je heel voorzichtig met het mengsel moet omgaan, het is explosief. Het produceren en aanbrengen van de brandstof moet heel voorzichtig gebeuren. Erg goed voor het milieu is de brandstof trouwens ook niet, door de chloorverbindingen. Ze hebben ook een ander heel groot nadeel: ze hebben maar 1 stand: vol gas. Eenmaal aangestoken krijg  je ze met geen mogelijkheid meer UIT. Bij civiele raketlanceringen worden ze vooral gebruikt voor een eerste stevige duw, zie bijvoorbeeld Ariane 5 of de Space Shuttle, daarna kan de vloeibarebrandstofmotor het wel alleen. Zodra de boosters van zulke raketten ontstoken worden houdt niets ze meer tegen: ze gaan omhoog tot de boosters leeg zijn. Dat was goed te zien bij het tragische ongeluk met de Space Shuttle Challenger: de boosters gingen nog een tijdje kriskras verder. Die boosters verbranden trouwens elk 5000 kg brandstof per seconde. Vijf ton. Per seconde.

1. De vloeibarebrandstofmotor

Een raketmotor op vloeibare brandstof ondervangt veel van bovenstaande problemen. Die werkt door de vloeibare brandstof en oxidator apart in de verbrandingskamer te spuiten. Die motor heeft een ‘gashendel’: je kunt ‘m dus zachter (en uit) zetten. En dat is geen overbodige luxe, zeker niet voor bemande vluchten. De Space Shuttle kende de zogenaamde ‘throttle back’: aan het eind van de lancering werden de motoren teruggedraaid naar 65% om de g-krachten voor de bemanning niet te hoog te laten oplopen (de massa neemt immers af omdat je brandstof verbrandt, terwijl de stuwkracht gelijk blijft (F=m*a)). De specifieke impuls van een vloeibarebrandstofmotor is veel hoger en dus is de kostprijs voor de klant lager (het belangrijkste voordeel, want het lanceren van satellieten is big business en een competitieve markt). Het grote nadeel is de complexiteit. De kans dat er iets mis gaat is een stuk groter. Je hebt twee enorme turbopompen nodig om alle brandstof en oxidator in een waanzinnig tempo in de verbrandingskamer te spuiten (om een idee te geven: een turbopomp van de Space Shuttle draait met 37.000 toeren per minuut en kan een Olympisch zwembad in 25 seconden leegtrekken).  Daarbij is vaak minimaal een van de vloeistoffen cryogeen, ofwel alleen vloeibaar op extreem lage temperatuur. Bij de ideale brandstof voor een vloeibare raketmotor, waterstof en zuurstof,  geldt dat zelfs voor allebei (het verbrandingsproduct is water, dus dat is wel relatief milieuvriendelijk). De Russische Soyuz, de raket van André Kuipers, gebruikt overigens vliegtuigkerosine en vloeibare zuurstof.

1. De Hybride

Er bestaat ook nog een tussenvariant, al vond je die tot voor kort vrijwel nergens: de Hybride. Die bestaat net als de vastebrandstofraket uit een holle buis met daarin de vaste brandstof. Alleen zit de oxidator daar niet bij in, die wordt vanuit een aparte tank door de holle buis met brandstof gespoten. Dat combineert een paar grote voordelen van de beide motoren: het systeem is bijna net zo simpel als een vastebrandstofmotor, maar de stuwkracht is wel regelbaar en hij kan uit. Daarnaast zijn de brandstoffen veel veiliger in het gebruik.  Veel hybride motoren gebruiken lachgas (N2O)als oxidator, bijvoorbeeld die van Space Ship Two, maar ook Stratos-II van de Delftse studenten. Dat zit onder druk in een tank en perst zichzelf er simpelweg uit als de klep openstaat. Als brandstof gebruikt Space Ship Two HTBP, een synthetische soort rubber. De studenten gebruiken een mix van kaarsvet, sacharine (koffiezoetjes!) en aluminiumpoeder- samen een uitermate efficiënte brandstof. Bij het mengen moet je wel oppassen dat het geen troep wordt, maar vergeleken met de explosieve mengsels van vastebrandstofraketten is het volkomen veilig. De specifieke impuls van dit soort motoren doet niet veel onder voor die van de collega’s op vloeibare brandstof, dus waarom zie je ze nergens? Dat heeft waarschijnlijk te maken met het feit dat de brandstof in een hybride motor veel langzamer wegbrandt dan in een vastebrandstofmotor. In de laatste brandt het weg met 1 cm/s, een hybride brand ongeveer 10x langzamer. En dat is een probleem als je de motoren een hoge stuwkracht moet leveren. Dat kan je oplossen door het gas door meer gaten te laten stromen, maar dat geeft weer problemen met de integriteit van de brandstofkolom: naar mate de gaten al brandend groter worden bestaat de kans dat de structuur bezwijkt. Dan vliegen er stukken brandstof onverbrand naar buiten. De lancering van SpaceShipOne , de eenpersoonsversie die de Ansari X prize binnenhaalde, was vermoedelijk om die reden geen pretje voor de piloot.

Opmars
Het is dus opvallend dat de Hybride motor aan een opmars bezig lijkt. Er duiken nu toepassingen op waarvoor de motor juist wel geschikt lijkt: voor Virgin Galactic’s Space Ship Two dus. Die hoeft niet naar een baan om de aarde, maar slechts even naar 100 km. De benodigde snelheid is dus niet heel hoog, maar de veiligheid wel heel belangrijk. Dan is een hybride een interessante optie. Iets dergelijks geldt ook voor onze studenten: die moeten nu ook naar 100 km, maar dat is met een vaste brandstofmotor niet meer verantwoord. De risico’s met de hoeveelheden potentieel explosief materiaal die je daarvoor nodig hebt zijn simpelweg niet acceptabel, de investeringen in faciliteiten waarschijnlijk gigantisch en benodigde vergunningen onbereikbaar.  Paraffine, sacharine, aluminiumpoeder en lachgas daarentegen zijn onschuldige ingrediënten, en daar kan veilig mee gewerkt worden. En dus is het ook voor studenten die naar de grens van de ruimte willen, de Hybride de beste keuze.

En zo begint, toch wel enigszins verrassend, de obscure hybride aan een verrassende tweede jeugd. Benieuwd waar dat toe leidt.

Michel