Oxidator: de vergeten helft van een raketmotor
Een raketmotor heeft twee dingen nodig om te werken: brandstof en een oxidator. De brandstof krijgt meestal alle aandacht, maar zonder oxidator brandt er helemaal niets. Een oxidator is een stof die zuurstof (of een andere stof die vergelijkbaar werkt) levert aan de verbranding. Denk aan een kampvuur: het hout is de brandstof, maar het vuur brandt alleen dankzij de zuurstof uit de lucht om je heen. In een raket is er geen lucht om uit te putten, dus moet die zuurstof letterlijk worden meegenomen in een tank.
Vergelijk het met een duiker die onder water gaat: op het land ademt hij gewoon de lucht om zich heen in, maar onder water moet hij zijn eigen zuurstof meenemen in een fles. Een raket bevindt zich vanaf een paar tientallen kilometers hoogte al in een omgeving zonder bruikbare lucht, en in de ruimte is er helemaal niets. Daarom bestaat het gewicht van een raket voor een groot deel uit oxidator, vaak zelfs meer dan uit brandstof. De keuze van oxidator bepaalt in grote mate hoe krachtig, hoe veilig en hoe herbruikbaar een raket kan zijn.
Wat is het precies?
Verbranding is een chemische reactie waarbij een brandstof reageert met een oxidator en daarbij warmte en gas vrijkomt. In een raketmotor wordt dat gas met hoge snelheid uit een mondstuk geperst, wat de stuwkracht levert. Op aarde gebruikt een auto- of vliegtuigmotor de zuurstof uit de omringende lucht als oxidator; die hoeft dus niet te worden meegenomen. Een raket moet, zodra hij de dichte atmosfeer verlaat, zijn eigen oxidator bij zich hebben.
De bekendste oxidator is vloeibare zuurstof, afgekort LOX (liquid oxygen). Zuurstof is bij kamertemperatuur een gas, dus moet het worden afgekoeld tot ongeveer -183 graden Celsius om vloeibaar te worden. Dat heet een cryogene oxidator: krachtig en relatief schoon, maar lastig lang op te slaan omdat het voortdurend verdampt.
Daarnaast bestaan er zogeheten opslagbare oxidatoren, zoals distikstoftetroxide (N2O4). Dit blijft bij kamertemperatuur vloeibaar, wat handig is voor satellieten of militaire raketten die maanden of jaren klaar moeten staan voor gebruik. Het nadeel is dat N2O4 en de bijbehorende brandstoffen, zoals hydrazine, zeer giftig en corrosief zijn.
Een derde categorie is de hybride raketmotor, waarbij een vloeibare of gasvormige oxidator zoals lachgas (N2O) reageert met een vaste brandstof, vaak een soort rubber. Dit wordt als relatief veilig beschouwd omdat de twee stoffen pas bij elkaar komen op het moment van ontsteking.
Wat wil men ermee bereiken?
De zoektocht naar betere oxidatoren draait om een aantal terugkerende wensen. Ten eerste: meer stuwkracht per kilogram, zodat een raket meer lading kan meenemen of minder brandstof nodig heeft. Ten tweede: veiligheid, want klassieke oxidatoren zoals N2O4 zijn giftig voor mens en milieu, wat dure beschermingsmaatregelen vereist bij lancering en onderhoud.
Een derde doel is herbruikbaarheid. Bedrijven als SpaceX willen raketten net zo vaak hergebruiken als vliegtuigen. Sommige brandstof-oxidatorcombinaties laten roet en afzettingen achter in de motor, wat snel onderhoud tussen vluchten bemoeilijkt. Een schonere verbranding maakt hergebruik praktischer.
Ten slotte is er een ambitieuzer doel: oxidator maken op de plek van bestemming in plaats van alles vanaf de Aarde mee te slepen. Dit heet in-situ resource utilization (ISRU), oftewel het gebruiken van lokale grondstoffen. Voor een missie naar Mars zou het enorm schelen als je daar zuurstof kunt maken uit de Marsatmosfeer, in plaats van de oxidator voor de terugreis helemaal vanaf de Aarde te lanceren. Dat scheelt gewicht, kosten en risico.
Voorbeelden uit de praktijk
De Raptor-motor van SpaceX, gebruikt in de Starship-raket, verbrandt vloeibaar methaan met vloeibare zuurstof, een combinatie die methalox wordt genoemd. SpaceX koos hiervoor omdat het schoner verbrandt dan traditionele kerosine-zuurstofmotoren en omdat methaan in theorie op Mars te maken is uit kooldioxide en waterijs via een chemisch proces dat de Sabatier-reactie heet. De eerste testvluchten van Starship vonden plaats vanaf 2023, met wisselend succes en verschillende explosies tijdens de ontwikkeling.
Blue Origin ontwikkelde de vergelijkbare BE-4-motor, eveneens op methaan en vloeibare zuurstof. Deze motor wordt gebruikt in de New Glenn-raket van Blue Origin zelf, en ook in de Vulcan Centaur-raket van United Launch Alliance, die voor het eerst vloog in januari 2024.
Een van de meest tot de verbeelding sprekende experimenten met oxidator is MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), een koelkastgroot apparaat aan boord van de Mars-rover Perseverance van NASA, die in februari 2021 op Mars landde. MOXIE zette met succes kooldioxide uit de dunne Marsatmosfeer om in zuurstof, in kleine hoeveelheden van enkele grammen per proefronde. Het experiment bewees het principe, maar leverde bewust geen grote hoeveelheden zuurstof; het was een proef op laboratoriumschaal, geen productie-installatie.
Op kleinere schaal gebruikt de SpaceShipTwo van Virgin Galactic een hybride motor met lachgas als oxidator en een rubberachtige vaste brandstof. Dit toestel voerde vanaf 2018 bemande testvluchten uit en begon in 2023 met commerciële suborbitale vluchten.
De Europese Ariane-raketten laten zien hoe verschillende oxidatoren naast elkaar bestaan: de hoofdmotor gebruikt cryogene vloeibare zuurstof met vloeibare waterstof, terwijl de bovenste trap draait op de opslagbare, maar giftige combinatie van N2O4 en MMH (monomethylhydrazine).
Hoe ver is de techniek?
Klassieke oxidatoren zoals vloeibare zuurstof en N2O4 zijn al tientallen jaren in gebruik en gelden als volwassen, betrouwbare techniek. De echte ontwikkeling zit momenteel in twee richtingen.
De eerste is methalox: schaalvergroting en herhaald hergebruik van methaan-zuurstofmotoren. Dit werkt aantoonbaar, zoals de vluchten van Vulcan Centaur laten zien, maar de grootschalige, snelle herbruikbaarheid die SpaceX voor Starship voor ogen heeft, is nog volop in ontwikkeling en ging gepaard met meerdere mislukte testvluchten.
De tweede richting is het lokaal produceren van oxidator, zoals MOXIE liet zien. Dat experiment bewees dat het proces werkt, maar de stap naar een systeem dat genoeg zuurstof maakt om daadwerkelijk een raket mee te vullen voor een terugreis van Mars, is nog niet gezet. Zo'n systeem zou veel groter, energiehongeriger en langduriger moeten draaien dan het proefmodel op Perseverance, en is voorlopig nog toekomstmuziek.
Daarnaast onderzoeken ruimtevaartorganisaties minder giftige, zogeheten groene oxidatoren en brandstoffen als vervanger voor hydrazine en N2O4, vooral voor kleinere satellieten. Deze zijn deels al operationeel op experimentele missies, maar hebben de gevestigde giftige combinaties nog niet overal verdrongen, onder meer omdat de prestaties net iets lager liggen en bestaande infrastructuur is afgestemd op de oude stoffen.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn SpaceX en Blue Origin de drijvende krachten achter de ontwikkeling van methalox-motoren voor herbruikbare raketten. NASA werkt via het Jet Propulsion Laboratory aan ISRU-technieken zoals MOXIE en aan de opvolgende concepten daarvan voor toekomstige Marsmissies.
In Europa ontwikkelt ArianeGroup de Ariane-raketten en onderzoekt de European Space Agency (ESA) actief groene, minder giftige oxidator-brandstofcombinaties voor satellieten. Ook nationale ruimtevaartorganisaties zoals het Japanse JAXA en het Indiase ISRO hebben eigen programma's voor zowel cryogene als opslagbare oxidatoren. Rocket Lab, met wortels in Nieuw-Zeeland en de VS, gebruikt eigen brandstof-oxidatorcombinaties voor zijn kleinere lanceerraketten.