Plasmastuwraket
Een plasmastuwraket is een motor voor ruimtevaartuigen die geen brandstof verbrandt zoals een gewone raket, maar in plaats daarvan een gas elektrisch oplaadt en met hoge snelheid de ruimte in schiet. Er komt geen vuurbal of knal aan te pas: het "stuwgas" verlaat de motor als een onzichtbare, razendsnelle straal geladen deeltjes. Die straal levert maar een heel klein duwtje, vergelijkbaar met het gewicht van een blaadje papier op je hand, maar dat duwtje houdt het toestel dagenlang, maandenlang of zelfs jarenlang vol.
Een handige vergelijking: stel je voor dat je een winkelwagentje over een enorm leeg parkeerterrein moet krijgen. Je kunt het één keer heel hard aanduwen, waarna het uitrolt en langzaam afremt door wrijving, ongeveer zoals een gewone chemische raket in één keer al zijn brandstof verbrandt om snelheid te maken. Of je geeft het wagentje elke seconde een heel klein tikje, urenlang achter elkaar. Elk tikje kost bijna geen moeite, maar omdat je er zo lang mee doorgaat, kan het wagentje uiteindelijk sneller gaan rijden dan bij die ene harde duw — en je bent veel minder "energie" kwijt per centimeter afgelegde weg. Dat is in essentie het voordeel van een plasmastuwraket: extreem zuinig met brandstof, maar traag in het opbouwen van snelheid.
Wat is het precies?
Plasma is de naam voor een gas waarvan de atomen hun elektronen (negatief geladen deeltjes) kwijt zijn geraakt, waardoor er een mengsel ontstaat van positief geladen ionen en losse elektronen. Wetenschappers noemen plasma weleens de "vierde aggregatietoestand", naast vast, vloeibaar en gasvormig. Omdat plasma uit geladen deeltjes bestaat, kun je het met elektrische en magnetische velden sturen en versnellen — iets wat met een gewoon, neutraal gas niet lukt.
In een plasmastuwraket wordt meestal een edelgas gebruikt, zoals xenon of het goedkopere krypton. Dat gas wordt in een kleine kamer geïoniseerd: elektronen worden er met stroom of magnetische velden vanaf geslagen, zodat er plasma ontstaat. Vervolgens worden de positieve ionen versneld door een elektrisch veld en de motor uit geschoten, met snelheden die vele malen hoger liggen dan bij verbrandingsgassen van een chemische raket. Volgens de wet van behoud van impuls duwt dat de raket de andere kant op.
Er bestaan verschillende families van plasmastuwraketten. Bij een ionenmotor (ook wel elektrostatische stuwraket genoemd) worden de ionen versneld door twee of meer metalen roosters met een spanningsverschil ertussen, zoals bij een minuscuul deeltjesversnellertje. Bij een Hall-effect thruster zorgt een ringvormig magneetveld ervoor dat elektronen in een baan blijven cirkelen; dat creëert een elektrisch veld dat de ionen naar buiten versnelt, zonder dat er aparte roosters nodig zijn. Een derde, experimentele variant is VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), die met radiogolven — vergelijkbaar met een magnetron, maar dan veel krachtiger — het plasma tot enorme temperaturen verhit en het vervolgens met een magnetische "spuitmond" naar buiten leidt.
Het resultaat van al deze systemen is een motor met een lage stuwkracht (vaak niet meer dan het gewicht van een appel of zelfs minder), maar met een zeer hoge "specifieke impuls": een maat voor hoe efficiënt een motor met zijn brandstof omgaat. Waar een chemische raket met een kilo brandstof een relatief bescheiden snelheidstoename haalt, kan diezelfde kilo stuwgas in een plasmamotor een veelvoud aan snelheid opleveren — mits je genoeg tijd en elektriciteit hebt.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is brandstof besparen. Satellieten en ruimtesondes moeten vaak hun baan corrigeren, bijstellen of stabiel houden ("station keeping" genoemd). Met een chemische motor kost dat relatief veel brandstof, wat betekent dat een satelliet een zwaardere brandstoftank nodig heeft of eerder buiten bedrijf raakt zodra de tank leeg is. Een plasmastuwraket heeft voor dezelfde taak veel minder massa aan stuwgas nodig, waardoor satellieten lichter, goedkoper te lanceren en langer bruikbaar zijn.
Voor dieperuimtemissies naar asteroïden, planeten of manen is de hoge efficiëntie nog waardevoller: een ruimtesonde kan met relatief weinig stuwgas een grote totale snelheidsverandering opbouwen tijdens een lange reis, iets wat met chemische brandstof simpelweg te zwaar zou worden. Op de langere termijn onderzoeken ruimtevaartorganisaties ook of krachtige plasmamotoren, gecombineerd met voldoende elektrisch vermogen, bemande missies naar bijvoorbeeld Mars sneller of met minder brandstof zouden kunnen maken dan met chemische raketten alleen. Voor de sector als geheel gaat het dus om kostenbesparing, langere levensduur van satellieten en het haalbaar maken van missies die anders te veel brandstofmassa zouden vergen.
Voorbeelden uit de praktijk
Plasmavoortstuwing is inmiddels geen theorie meer, maar wordt al jaren daadwerkelijk gebruikt. Een paar bekende voorbeelden:
- SMART-1 (ESA, gelanceerd 2003) — Europa's eerste maanmissie met elektrische voortstuwing, uitgerust met een PPS-1350 Hall-effect thruster. De sonde deed er met haar zuinige maar langzame motor maanden over om vanuit een baan om de aarde geleidelijk naar de maan te spiraliseren.
- Dawn (NASA, gelanceerd 2007, actief tot 2018) — gebruikte ionenmotoren om als eerste ruimtesonde ooit in een baan om twee verschillende hemellichamen te draaien: eerst de planetoïde Vesta, daarna de dwergplaneet Ceres. Zonder de zuinige ionenmotoren was zo'n dubbele missie met de toen beschikbare raket niet haalbaar geweest.
- BepiColombo (ESA/JAXA, gelanceerd 2018) — op weg naar Mercurius, de planeet die het dichtst bij de zon staat. De sonde gebruikt T6-ionenmotoren om de vele omwegen via Aarde, Venus en Mercurius zelf te maken die nodig zijn om in een baan om Mercurius te komen zonder te veel snelheid te maken door de zwaartekracht van de zon.
- Starlink-satellieten (SpaceX) — gebruiken compacte Hall-effect thrusters, aanvankelijk op krypton en later ook op argon, om hun baan bij te stellen, uit te wijken voor ruimtepuin en aan het einde van hun levensduur gecontroleerd de dampkring in te sturen.
- Psyche (NASA, gelanceerd 2023) — op weg naar de metaalrijke planetoïde Psyche, aangedreven door SPT-140 Hall-effect thrusters. Het is de eerste NASA-dieperuimtemissie die volledig op elektrische (plasma-)voortstuwing vaart in plaats van op traditionele chemische motoren als hoofdaandrijving.
Hoe ver is de techniek?
Ionenmotoren en Hall-effect thrusters zijn inmiddels volwassen, bewezen technologie: ze vliegen al decennia mee op satellieten en ruimtesondes en worden dagelijks commercieel ingezet, onder meer in grote satellietconstellaties zoals Starlink. Op dit vlak is er dus geen sprake meer van een experiment, maar van een gangbaar onderdeel van de ruimtevaartindustrie.
VASIMR ligt een stuk minder ver. Die technologie heeft nog nooit in de ruimte gevlogen en is tot nu toe alleen op de grond getest door het Amerikaanse bedrijf Ad Astra Rocket Company, opgericht door voormalig NASA-astronaut Franklin Chang-DÃaz. In de testopstelling VX-200 is een vermogen tot ongeveer 200 kilowatt gehaald — veel meer dan de paar kilowatt van een gangbare Hall-thruster, maar nog altijd te weinig om de hooggespannen verwachtingen over supersnelle Mars-reizen waar te maken.
De belangrijkste horde is niet zozeer de plasmatechniek zelf, maar de energievoorziening. Plasmastuwraketten hebben veel elektrisch vermogen nodig, en dat vermogen moet in de ruimte worden opgewekt met zonnepanelen of, in de toekomst mogelijk, met compacte kernreactoren. Hoe meer vermogen, hoe meer stuwkracht — maar grote zonnepanelen of reactoren zijn zwaar en duur. Bovendien is de stuwkracht van deze motoren simpelweg te laag om een raket van de grond te krijgen: ze werken alleen in de gewichtloze ruimte, nooit als lanceermotor. Voor ambitieuze plannen zoals een snelle, bemande Mars-missie met hoogvermogen plasmavoortstuwing blijft compacte, krachtige energieopwekking in de ruimte dan ook het grootste openstaande probleem.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn NASA-centra als het Jet Propulsion Laboratory (JPL) en het Glenn Research Center al decennia toonaangevend in onderzoek naar elektrische voortstuwing. Ad Astra Rocket Company is de drijvende kracht achter VASIMR, terwijl bedrijven als Busek Company gespecialiseerd zijn in kleine elektrische stuwraketten voor satellieten. SpaceX ontwikkelt en bouwt zijn eigen Hall-effect thrusters voor de Starlink-vloot.
In Europa is de European Space Agency (ESA) de belangrijkste opdrachtgever voor missies met elektrische voortstuwing, terwijl het Franse ruimtevaartbedrijf Safran een van de grootste bouwers is van Hall-effect thrusters (de PPS-serie) voor zowel Europese als commerciële satellieten. Op onderzoeksgebied verrichten instituten zoals het Princeton Plasma Physics Laboratory fundamenteel werk aan plasmafysica die ook voor voortstuwing relevant is.
Ook China en Rusland beschikken over eigen programma's voor elektrische voortstuwing en zetten deze technologie in op hun eigen satellieten, al zijn daarover in het Westen minder gedetailleerde, onafhankelijk geverifieerde gegevens beschikbaar dan over de Amerikaanse en Europese programma's.