Reuzenraket verzorgt lijndienst naar Mars

HEELAL

MARS

Ruimtevaartbedrijf SpaceX wil een basis op Mars neerzetten met woningen, plantenkassen en brandstofproductie.

SPACEX

Door Mikkel Meister

REUZENRAKET VERZORGT LIJNDIENST NAAR MARS Het ruimtevaartuig Starship van SpaceX moet over vier jaar de eerste kolonisten naar Mars brengen, dankzij nieuwe motoren en sterk staal. Of is dit te riskant?

L A A I GEN ?

GEK OF

snufjes, nieuwste s e d t a v e sk ship b Elon Mu lijk.

Het Star noemen tisch en gevaar i ic it r c s li a e maar r nnen on Marspla

HEELAL

MARS

E

en 50 meter hoog en glanzend ruimteschip landt op Mars. Het rode stof waait op wanneer de motoren in een vlammenzee afremmen en veilig landen. Een paar honderd meter verderop wordt het kale, eentonige landschap afgewisseld met brandstoffabrieken, laboratoria, kassen en woonmodules van de Marskolonie die de astronauten er door de jaren heen neergezet hebben. Uit het gelande ruimteschip komen 100 passagiers: nieuwe kolonisten, die nu op de rode planeet gaan wonen en werken, tot hetzelfde schip ze weer naar huis brengt.

Het ruimtevaartuig heet Starship, en al vanaf 2024 gaan astronauten ermee naar Mars om te beginnen met de bouw van een basis. Dat is althans de ambitie van Elon Musk, de oprichter van het Amerikaanse ruimtevaartbedrijf SpaceX, die in september 2019 een Starship-prototype presenteerde.

Het klinkt misschien overambitieus om al over vier jaar een basis op Mars te gaan bouwen, maar Elon Musk staat erom bekend dat hij nergens voor terugdeinst. De even rijke als bekende man achter Tesla heeft grote successen geboekt met elektrische auto’s en ruimteraketten, maar kent ook wel fiasco’s, die hem kritiek opleverden wegens zijn krappe planningen en technologische miskleunen. De vraag is: gaat het Starship de mens naar Mars brengen en bewijzen wat SpaceX waard is, of is het project een gevaarlijke, onrealistische losse flodder?

Starship doet mee aan de race Astronomen en raketbouwers hebben de rode planeet al tientallen jaren in de kijker, en de race om Mars als eerste te koloniseren is begonnen. NASA legt de laatste hand aan zijn grootste raket ooit, het Space Launch

System, en ook in Rusland en China hebben de nationale ruimteagentschappen gemeld mensen naar Mars te willen sturen. Maar SpaceX is de eerste partij die een prototype kan presenteren van een ruimtevaartuig dat naar Mars zou kunnen: het Starship.

Het ruimteschip baarde veel opzien toen Elon Musk het prototype vertoonde op een kille najaarsdag in 2019. Het Starship is van glanzend metaal gemaakt, en met de vier

37

raketmotoren heeft het Starship, die methaan verstoken met behulp van vloeibare zuurstof.

vinnen langszij doet het vaartuig denken aan een sciencefictionstrip uit de jaren 1950.

In zijn toespraak verzekerde Elon Musk zijn gehoor er echter van dat het design en de keuze van het staal heel doordacht zijn.

De maanraket Saturnus V was gemaakt van aluminium, maar SpaceX maakt gebruik van een staallegering waarmee het Starship bestand is tegen de extreme kou en hitte in de ruimte tijdens het vliegen door vreemde atmosferen. Gewoon staal kan splinteren als vergruisd ijs zodra het in aanraking komt met de kou, maar de legering ‘301-staal’ – die onder andere chroom en nikkel bevat – kan beter tegen een stootje.

Bij zogeheten cryogene temperaturen, van -150 °C en lager, heeft 301-staal ongeveer dezelfde sterkte als composietmaterialen van koolstofvezel. Daarbij ligt het smeltpunt van 301-staal rond de 1400 °C, waardoor het Starship rustig met snelheden tot 25 keer die van het geluid door de gloeiend hete atmosfeer van Mars kan vliegen.

Een atmosfeer fungeert als remblok, maar wrijving met de moleculen in de lucht verklaart slechts gedeeltelijk waarom een vaartuig bij de afdaling door de atmosfeer zo heet wordt. Met zijn hoge snelheid creëert het schip een drukgolf voor zich uit, waar de gassen van de atmosfeer extreem worden samengeperst. Daardoor worden ze heet en veranderen ze in plasma, waarin moleculen van de lucht aan flarden worden gerukt.

Met 301-staal hoopt SpaceX het Starship nog vaak te kunnen hergebruiken – een idee dat het bedrijf al lange tijd toepast in zijn raketontwerp. SpaceX kreeg tijdens de tests van hergebruikraketten allerlei tegenslagen en ongelukken te verwerken, maar in 2019 wist men de drie rakettrappen van de Falcon Heavy op aarde te laten landen toen die een satelliet had weggebracht. Voor het eerst lukte dat met zo’n grote draagraket.

Motoren slurpen methaan Niet alleen door zijn speciale staal is het Starship herbruikbaar. Ook het nieuwe type motor, Raptor geheten, speelt een grote

Alle ruimteagentschappen willen het zonnestelsel koloniseren

18

| Wetenschap in Beeld | 6 · 2020

na 2030 naar Mars brengen. China ontwikkelt momenteel de draagraket Long March 9, die krachtig genoeg wordt om 44 ton goederen en/of passagiers naar Mars te sturen. Op de particuliere markt krijgt SpaceX concurrentie van Blue Origin, eigendom van de rijke man achter Amazon, Jeff Bezos. Blue Origins Marsraket New Glenn maakt volgens plan zijn eerste proefvlucht in 2021.

LONG MARCH 9

NEW GLENN

SLS

93 meter

95 meter

111 meter

IMAGESELECT & NASA & XYZTSPACE

Het ruimtevaartbedrijf SpaceX is lang niet de enige partij die de vlag van de mens op Mars wil planten.

Ook de ruimteagentschappen van de VS en China en ruimtevaartbedrijf Blue Origin werken aan vaartuigen die het mogelijk moeten maken een kolonie op de planeet te bouwen.

NASA’s nieuwe reuzenraket, Space Launch System (SLS), moet mensen in 2024 naar de maan en

A Laanmotoren en NIA eth G E ie en uwe m e kunn en.

ng ucti De n ars bre constr stalen rship naar M het Sta nd ngetoo niet aa tocht naar G EcK e X heeft Spa e personen d ven.

0 e hoe 10 unnen overl Mars k

Stalen vaartuig vervoert 100 man Het ruimteschip Starship is van staal, zijn motoren draaien op vloeibaar methaan en met de bewegende vinnen landt het als een parachutist.

VINNEN STUREN VRIJE VAL DOOR DE ATMOSFEER AAN Het Starship landt op Mars in een vrije val door de atmosfeer, en neemt net als een parachutist een horizontale positie in.

Twee vinnen boven aan het vaartuig bewegen en manoeuvreren. En twee vaste vinnen onderaan remmen tijdens de afdaling.

Mk1 is het eerste prototype van het Starship.

SpaceX werkt nu aan Mk3 en Mk4 – Mk2 is al getest.

STARSHIP KAN TOT 100 PASSAGIERS KWIJT Bovenin heeft het Starship onder meer 40 passagierscabines, een laadruim en een schuilruimte in geval van zonnestormen.

De hele sectie van 825 m3 heeft een atmosferische druk als op aarde; astronauten kunnnen er dus zonder ruimtepak ademen.

STALEN CONSTRUCTIE MAAKT HET SCHIP LICHT EN STERK Het ruimteschip is gebouwd van een staallegering met een hoog gehalte chroom en nikkel. De legering is bestand tegen de kou in de ruimte, maar heeft een smeltpunt van rond de 1500 °C en kan dus ook de wrijving van de atmosfeer aan.

SPACEX

SPACEX

RAKETMOTOR VERBRUIKT METHAAN ALS BRANDSTOF De 3,1 meter hoge Raptormotoren zijn de spierballen van het Starship. Ze draaien op methaan, dat schoon is en niet roet, zoals eerdere generaties raketbrandstof.

Daarom gaan de motoren meerdere vluchten mee en is ook het Starship herbruikbaar.

HEELAL

GENI

A

AL Door te het Sta tanken in d e ruim rs h ip te Mars a d anzien e reistijd na kan a lijk ve rkorte r GEK n.

Voor e e ruimte n ‘tankstati o nodig; zijn er te ve n’ in de e het is onreali l lanceringe n stisch .

MARS

Tankstation geeft Starship turbovaart

Passagiersgedeelte

SpaceX wil samen met NASA ruimtetankschepen ontwikkelen, zodat het Starship volgetankt naar Mars kan vliegen – wat de reis sneller maakt dan anders mogelijk zou zijn.

Vloeibare zuurstof

Vloeibaar methaan

Twee Starships, één met brandstof en één met astronauten, koppelen zich met de staart aan elkaar.

Straalpijp

Achterwaartse versnelling MARS

Starship geladen met bemanning en apparatuur

Starship geladen met brandstof

Tank wordt volgegooid

Starship met een volle tank, bemanning en apparatuur

Landing van de draagraket Super Heavy Brandstof Starshipschepen gaan uiteen

Lancering van de draagraket Super Heavy

Starship wordt gelanceerd

Ontmoeting met het tankschip

Versnelling geeft brandstof een zetje

Starship zet koers naar Mars

De draagraket Super Heavy stuurt een Starship beladen met brandstof in een baan om de aarde, koppelt zich los, keert terug naar de aarde en lanceert een bemand Starship.

Het bemande Starship en het Starship met brandstof ontmoeten elkaar. De twee ruimteschepen koppelen zich aan elkaar vast met de staarten en verbinden de brandstofsystemen.

Het Starship die naar Mars gaat, geeft het ‘tankschip’ een zetje door zijn straalpijpen te gebruiken. Daardoor loopt de brandstof van het tankschip over in het bemande Starship.

Met 1200 ton brandstof in de tanks begint het Starship aan zijn reis naar Mars. Dankzij de volle tanks kan het Starship 150 ton goederen en astronauten meenemen.

| Wetenschap in Beeld | 6 · 2020

2

3

4

SPACEX & KEN IKEDA MADSEN

CLAUS LUNAU/KEN IKEDA MADSEN/SPACEX

1

20

AARDE

rol. Dit motortype verstookt vloeibaar methaan als brandstof, wat veel goedkoper is dan bijvoorbeeld de RP-1-motoren van de Saturnus V, die op kerosine draaien. Daarbij brandt methaan schoner, wat betekent dat de motoren niet vervuild raken en dus vaker gebruikt kunnen worden. De uitstoot uit het voorste stuk raketmotor kan daardoor een keer extra worden afgevuurd aan de achterkant van de raket, en op die manier kan hij sterker versnellen per kilo brandstof.

Zes Raptor-motoren op het Starship kunnen het vaartuig zonder hulp van een draagraket bijvoorbeeld loskrijgen van de zwaartekracht van de maan of Mars, en zo een team van wel 100 astronauten naar de aarde terugbrengen.

Maar het schip heeft meer nodig om los te komen van de aarde – dus zo hoog te komen dat de zwaartekracht het niet meer naar de aarde toetrekt. Het 50 meter hoge Starship wordt daarom naar de ruimte gebracht door de 68 meter hoge draagraket Super Heavy met 37 Raptor-motoren aan boord.

SpaceX heeft de Super Heavy uitgerust met vinnen en stikstofstraalpijpen die naar opzij wijzen, zodat de raket kan omkeren.

Zo kan de Super Heavy weer naar de aarde terug als het Starship is losgekoppeld. Ook kan de draagraket zodanig draaien dat de motoren bij de landing naar de aardbodem gericht zijn. Daarmee kan de Super Heavy

3

keer per dag kan er een Starship vertrekken dankzij de herbruikbare draagraket Super Heavy.

gecontroleerd remmen tijdens de afdaling naar de aarde, waar hij wordt volgetankt en hergebruikt. Dankzij het hergebruikprincipe kunnen er per jaar wel 1000 Starships naar de ruimte vertrekken, of het nu gaat om tankschepen in een baan om de aarde, een vlucht naar de maan of een Marsmissie.

Tankstation vliegt door de ruimte Bij ‘1000 lanceringen’ trekken deskundigen wereldwijd hun wenkbrauwen op omdat ze het plan onrealistisch vinden, maar volgens Elon Musk passen de vele lanceringen van het Starship perfect in de race om naar Mars te gaan – en de volgende beslissende stap is een tankstation in een baan om de aarde.

Zo kunnen Starships elkaar onderweg naar Mars van brandstof voorzien. SpaceX wil eerst Starships vol brandstof in een baan om de aarde sturen, waar ze op de bemande

SPACEX & KEN IKEDA MADSEN

Tankstation halveert de reistijd naar Mars Om de 26 maanden nemen Mars en de aarde een zodanige positie ten opzichte van elkaar in dat we via een zogeheten hohmannbaan zo zuinig mogelijk een ruimteschip naar Mars kunnen sturen. De baan maakt gebruik van de snelheid van de twee planeten om een vaartuig weg te slingeren. Als een ruimteschip een hohmannbaan volgt, hoeft het de motoren alleen aan te zetten aan het begin van de reis en wanneer het moet afremmen om in de baan van Mars te belanden. Op die manier doet het vaartuig maar zo’n negen maanden over de reis.

Door te tanken in een lage baan om de aarde, zoals SpaceX met zijn Starship wil doen, kan het ruimtevaartuig de reistijd bekorten door eerst te versnellen en later harder te remmen.

Daarmee is de vlucht in 80 dagen te doen.

Starships wachten. Twee Starships worden vervolgens gekoppeld, waarna het bemande vaartuig iets versnelt en het ‘tankschip’ een zetje geeft. Daardoor loopt de brandstof van het ene vaartuig in het andere. Daarna is het Starship klaar om koers te zetten naar de verre ruimte, terwijl het tankschip terug naar de aarde kan keren. NASA verwacht ook veel van de techniek, en daarom heeft het ruimtevaartagentschap in 2019 SpaceX met een order van ruim 2,5 miljoen euro verzocht om een prototype te ontwikkelen en het mechanisme te testen dat de twee brandstofsystemen aan boord van de beide ruimteschepen aan elkaar koppelt.

Het vloeibare methaan dat in de tank gaat, is overigens ook op Mars voorhanden.

Methaan is een koolwaterstofverbinding die te maken is met kooldioxide in de atmosfeer en ijs van water net onder het oppervlak. Via het zogenoemde Sabatier-proces kunnen kooldioxide en water worden omgezet in methaan. Eerst worden waterstofatomen uit het water gewonnen, waarna de waterstof reageert met kooldioxide. Koolstofatomen (C) en waterstofatomen (H) vormen samen methaan (CH4), en zo valt de brandstof te maken in een fabriek die gebouwd wordt door de eerste astronauten op Mars.

Lijndienst begint in 2024 Met een tankstation rond de aarde en een rond Mars is er een infrastructuur waarmee SpaceX een vloot Starships van en naar de rode planeet kan laten vliegen. Volgens

Positie van de aarde bij lancering

AARDE

ZON

Positie van Mars bij aankomst via de hohmannbaan MARS

Positie van Mars bij aankomst via de snelle route Mars’ position ved opsendelse

HEELAL

MARS

Musk kunnen we met 1000 Starships naar Mars een kolonie opzetten die de lijndienst kan ondersteunen. De oprichter van SpaceX denkt dat het 20 jaar zal duren om 1 miljoen ton materiaal naar Mars te sturen, ongeveer de hoeveelheid die nodig is voor het bouwen van een duurzame basis.

Astronomen waarschuwen Elon Musk dat de kolonisatie van Mars de planeet zal vervuilen en roet in het eten gooit bij de zoektocht naar vroeger of huidig leven op onze buurplaneet. Bovendien krijgt Musk kritiek omdat hij niet genoeg rekening zou houden met kosmische straling op Mars.

SpaceX werkt echter onverdroten verder aan het plan. Het bedrijf heeft de Starhopper al getest, een miniversie van het Starship met dezelfde diameter van zo’n 9 meter maar een hoogte van slechts 18 meter – die 150 meter de lucht in vloog en weer landde.

AL G E N IA productie en

n een Brandstof iening make voedselvoorz gelijk. mo Marskolonie

Mk1 uitdraaide op een explosie, waarbij de brandstoftank in de lucht schoot als een champagnekurk. Maar het was ‘slechts’ een test, en daarmee was het ongeluk – geheel in de stijl van Musk – afgedaan. En komende prototypen worden beter en veiliger.

1000

Mars wordt aarde 2.0

Starships kunnen volgens Musk gefaseerd naar Mars om een zelfvoorzienende kolonie op te zetten.

Als alles goed gaat, zal SpaceX het Starship in 2020 in een baan om de aarde testen. In 2023 stuurt het bedrijf de rijke Japanner Yusaku Maezawa en een team kunstenaars op een rondreis rond de maan aan boord van een Starship, en in 2024 vertrekken de eerste astronauten naar onze buurplaneet.

In november 2019 had SpaceX de pech dat een druktest van het Starship-prototype

Als het Starship op een dag op Mars landt om er een basis te beginnen, is dat nog maar de eerste stap van een veel groter plan. Op termijn wil Elon Musk de planeet niet alleen koloniseren, met een basis die bescherming biedt tegen schadelijke straling en die in een atmosfeer voorziet – hij wil Mars omtoveren tot een nieuwe aarde met vloeibare zeeën, en een dikke, echte atmosfeer om mensen te beschermen tegen straling, in zuurstof te voorzien en de temperatuur aangenaam te houden. Dit concept, terravorming geheten, werd in 1961 al geopperd door de beroemde Amerikaanse astronoom Carl Sagan. Musk stelt zich voor dat we fusieatoombommen afvuren met een geringe radioactieve neer-

G E K niet beschermd tegen

aceX Mars is aling, en Sp kosmische str leven verstoren. op kan de jacht

Marskolonie maakt voedsel en brandstof

1

SpaceX wil op Mars zelf brandstof, wegen en landingsgebieden maken – en een kolonie waar mensen kunnen wonen en werken.

Starship landt met een draai

Kooldioxide en water vormen brandstof

Astronauten wonen in verblijfmodules

Planten groeien in kassen

Een paar kilometer boven Mars maakt het Starship met behulp van zijn zes draaibare motoren een draai, die het schip vanuit zijn horizontale positie in de verticale landingspositie brengt.

De brandstof methaan valt te maken met CO2 en water van Mars.

Koolstof uit koolstofdioxide en waterstofatomen uit water vormen onder druk en bij 300 tot 400 °C methaan en zuurstof.

De modules staan onder een druk zoals op aarde heerst. Filters nemen CO2 op uit de lucht die de bewoners uitademen. Urine kan gedestilleerd, gezuiverd en als drinkwater worden gebruikt.

Volgens Elon Musk kunnen planten groeien in water met alleen mineralen. Om aan hun eiwitten te komen kunnen de Marsbewoners kweekvlees en insecten eten.

SPACEX

1

22

2

| Wetenschap in Beeld | 6 · 2020

2

3

4

VOLG EEN LANCERING van het vaartuig Starship in een animatie.

Het ruimtevaartbedrijf SpaceX laat in een video zien hoe het ruimteschip Starship vertrekt, tankt in een baan om de aarde en verder vliegt.

JPL CALTECH/NASA

slag, die in de praktijk moeten fungeren als minizonnen die de ijskappen op de polen van de planeet doen smelten. Onderzoekers van NASA hebben het idee nader bekeken en achten het niet realistisch dat we Mars binnen afzienbare tijd in een miniversie van de aarde kunnen omtoveren. Maar daar laat Elon Musk zich niet door uit het veld slaan.

Musks carrière is een aaneenschakeling van optimistische voorspellingen, die echter zelden bewaarheid worden – in elk geval niet zo snel als hij zegt. Maar de elektrische auto’s van Tesla en de herbruikbare raketten laten zien dat zijn torenhoge ambities soms wél gerealiseerd worden. De lijndienst van Starships naar Mars en het idee van een ‘back-up-aarde’ kunnen uitwijzen of Musk een visionair of een fantast is – of allebei.

Landingsgebied

Starship koerst af op ijs in de bodem van Mars SpaceX heeft al landingsplekken voor zijn Starship uitgekozen. Het ruimtevaartbedrijf richt zich op een vlak terrein dat eruitziet alsof er veel ijs in de bodem zit. Het ijs is te winnen en te gebruiken als drinkwater, maar het is ook een belangrijke grondstof voor de installaties die brandstof moeten produceren voor de thuisreis van het Starship.

Het ijs is door onderzoekers van NASA gevonden toen ze data van twee sondes rond Mars analyseerden:

Mars Reconnaissance Orbiter en Mars Odyssey. De sensoren van dit tweetal meten kleine variaties in de bodemtemperatuur. IJs absorbeert meer warmte dan de grond eromheen.

Gebieden met veel ijs zijn daarom in de zomer iets kouder, doordat ze warmte opnemen en vasthouden, en warmer in de winter, omdat ze de warmte dan afstaan. In het uitgelichte gebied op de kaart bevindt zich ijs dat makkelijk op te graven is – her en der op slechts 2,5 centimeter diepte.

wibnet.nl/starship

Centraal in de kolonie staan de kassen en modules voor bewoning, die door tunnels worden verbonden.

3

4

SPACEX

6 · 2020 | Wetenschap in Beeld |

23