19 augustus 2018

Naar Mars of niet naar Mars? Dat is de vraag.

Twee jaar geleden gaf de vraag  ‘Why isn’t Musk advocating nuclear propulsion for rockets? een flinke stroom aan reacties op een publiek forum. Elon Musk  houdt ervan, zo stond in een deel van de vraag te lezen, om nieuwe technieken, ideeën, en projecten voor te stellen, op te werpen, en ongeacht of het haalbaar is of niet en zonder verder in te gaan op de details. Alsof hij hardop denkt en de wereld luistert mee, waarop de ‘wereld’  al dan niet positief reageert.  

SpaceX draagraketten credits; Spaceflight101

Voor de volledigheid heb ik hieronder (n.1) nog de originele vraag geciteerd van het forum alsmede een soortgelijke vraag uit 2017 op NASA Spaceflight.com.  De vraag op het forum van Reddit gaf meer dan 100  commentaren, reacties en verklaringen. De rode lijn in al deze was dat Musk het zich niet kan permitteren niet in financieel en niet in politiek opzicht. Ik heb  een van de reacties  eruit gelicht die m.i. kort en krachtig weergeeft waarom dit voorlopig nog niet aan de orde is geciteerd. ‘Elon might occasionally talk about exotic technologies, but he always uses simple and verified solutions. Chemical rockets are a verified solution. Nuclear rockets are not. He cannot invest billions into open ended research. Also, launching anything nuclear might cause protests from the public.’ ‘Jan Smolik’ In het boek SpaceX, How to make commercial Spaceflight a reality, ‘ van auteur Erik Seedhouse, Springer, 2013,  wordt in enkele pagina’s ook een toelichting op deze vraag en het antwoord dat hierboven gegeven is  ingegaan. Zowel in het derde als achtste hoofdstuk  gaat Seedhouse in op het probleem van de technische limiet van chemische raketaandrijving en andere, toekomstige efficiëntere oplossingen. En uit  de tekst hierover blijkt ook dat het kennelijk al een kwestie is die sinds de oprichting van SpaceX bij de bedrijfsvoering geregeld aan de orde komt. In het beknopte, informatieve en in no-nonsense stijl  geschreven boek wordt, in grove lijnen, uiteengezet  hoe het kernteam rondom Musk en SpaceX gevormd werd, het geeft  een korte achtergrond van zijn jeugd, en werpt een blik op de opbouw en verkoop van zijn eerdere bedrijven waaronder PayPal. Tevens zet het duidelijk uiteen hoe er met SpaceX (tot en met 2013) meer dan 40 lanceringen tot stand gekomen zijn met de eigen Falcon lanceerders ‘familie’. Op het tijd van schrijven heeft  onlangs de 50ste lancering plaatsgevonden van de Falcon 9 en de eerste van de Falcon Heavy. Een substantieel deel gaat over  hoe de keuzes voor de raketmotoren tot stand gekomen zijn, de Merlins en de Kestrils en enkele van hun technische specificaties. Ook gaat het boek in op de intensieve samenwerking met NASA waar Musk zo blijkt uit enkele quotes zeer dankbaar voor is geweest en NASA  in het kader van de zogeheten ‘SAA’  (Space Act Agreements) en ‘COTS’ (Commercial Orbital Transportation Services) programma zowel voor de Falcons en de Dragon ontwikkeling een grote bijdrage geleverd hebben. Deze ontwikkelingsprogramma’s  laten zien dat een programma op basis van van te voren bepaalde doelstellingen, financiële steun werd pas gegeven na het bereiken van vastgestelde mijlpalen, wel degelijk kostenbesparend en in zijn algemeenheid effectief kan werken.

Maar terug te komen op de nucleaire aandrijving, het bovenstaande antwoord, en veel antwoorden hadden dezelfde strekking als deze reactie,  verwoordt m.i. het beste hoe er bij SpaceX over gedacht wordt. In Seedhouse’ boek wordt op de bladzijden  46 en 47 het onderwerp kort geïntroduceerd en op de bladzijden 148 en 149 worden er vijf redenen gegeven waarom SpaceX eigenlijk wel moet geloven aan   nucleair-thermische aandrijving (n.2) om Mars te koloniseren. Het  citaat; ‘But what if SpaceX can’t take the next step beyond LEO?  Well,, there are some who believe that bold missions such as those planned to the Red Planet should be NASA’s business.’  duidt exact  de worsteling met deze kwestie aan. Dat Musk met zijn Falcons  een praktisch complete familie aan draagraketten construeerde is een ongekende prestatie.  Misschien is de constructie van de Falcon draagraket ‘familie’ wel  de grootste prestatie van deze eeuw en voor de raketmotoren waarbij de keuze voor de betrouwbare Merlin en Kestril motoren  uit kostentechnisch oogpunt de meest aantrekkelijke optie geweest. Maar al in Seedhouse’ boek staat in de laatste paragraaf van hoofdstuk drie dat nucleaire aandrijving voor de Falcon reeds bij de  opstart van het bedrijf een behoorlijk hangijzer is geweest.  In de index van het boek wordt het nergens met naam genoemd, en pas aan het eind van hoofdstuk drie  komt het ter sprake.  In het derde hoofdstuk  stelt de auteur dat een Mars kolonie niet te realiseren is met chemische draagraketten. Na al vrij snel besloten te hebben  eigen raketten te gaan bouwen met als speerpunten in zijn bedrijfsbeleid; a. zo min mogelijk managementlagen, b. alle rakettrappen herbruikbaar, c. zoveel mogelijk in-house testen, d. efficiënte en moderne technieken. Dit wordt verder duidelijk uiteengezet in het boek met alle afwegingen, specificaties en verklaringen die hierbij horen. Maar vervolgens moet je tot het achtste hoofdstuk  verder lezen over de nucleaire optie. En wat het internet betreft, ook tot in 2017 na continu afspeuren  kon ik vrij weinig op openbare platforms of in artikelen  Musks naam in verband brengen met nucleair aangedreven raketten. Toch moet hij meer dan wie ook heel goed weten dat zelfs met de Falcon Heavy  het lastig wordt Mars te koloniseren met duizenden mensen. Laat staan een miljoen zoals hij vorig jaar opwierp. Misschien is die terughoudendheid hierover toch te maken met niet het risico te willen nemen  het spel te hoog te spelen  en de financiële afgrond in te duikelen. De ‘practical joke’  Hoe wordt ik een space miljonair?,  ‘Nou, om te beginnen als space miljardair.’  is inmiddels een geijkte grap onder ruimtevaart ondernemers en momenteel  geen onrealistisch scenario.

De nucleaire optie

Musks idee is om efficiëntie op te offeren voor eenvoudige en goedkope oplossingen. (Musk die zich van het begin af aan  ergerde aan het feit dat bv een Pegasus payload van 200 kg (USAF) nog tussen de 50 en 75 miljoen dollar schommelde kwam tot de conclusie dat deze kosten alsook het risico drastisch ingeperkt en verlaagd zouden moeten worden. Seedhouse betitelt SpaceX in zijn boek als een ‘maverick company’een bedrijf met bravoure. Musk ging verder dan zijn gelijkgestemde startende ruimtevaart ondernemers als Bezos en Branson. Na al vrij snel besloten te hebben  eigen raketten te gaan bouwen met als speerpunten in zijn bedrijfsbeleid; a. zo min mogelijk managementlagen, b. alle rakettrappen herbruikbaar, c. zoveel mogelijk in-house testen, d. efficiënte en moderne technieken.) Een nucleaire raketmotor is precies het tegenovergestelde. Uitstekende prestaties, maar niet eenvoudig of goedkoop. Anderzijds is de nucleaire motor alleen logisch als een bovenste trapmotor voor grote raketten. Kleine kernreactoren zijn immers zeer moeilijk om te maken en in juridisch opzicht zijn er ook de nodige obstakels waaronder de ‘Liability convention’ zie hieronder, van de V.N. In de voorbije jaren heeft het bedrijf beraadslaagd over de kwestie  van nucleair aangedreven ruimteschepen en raketten.  In de missie architectuur die  SpaceX voorstelt zou een sterkere versie van de Falcon 9 gebruikt kunnen worden voor cargo, ruimteschepen en bemanning naar LEO te brengen en eenmaal daar aangekomen zou SpaceX kunnen overwegen de door NASA gebouwde nucleair aangedreven raketten te gebruiken die het werk overnemen. M.g.v onder andere de NERVA technologie, ‘Nuclear Engine Reactor for Vehicle Applications’, het doel van NERVA was een nucleaire reactor te gebruiken als raketmotor maar in 1973 trok Nixon de stekker uit  het programma vanwege de hoge kosten. Echter voor zijn teloorgang  had het project aangetoond dat nucleaire raketten een veel brandstof efficiëntere manier waren om ruimtevaartuigen aan te drijven  dan conventionele raketten. Splijtbare uranium heeft een energiedichtheid van bijna 80.000.000 megajoules per kg, terwijl kerosine rond de  40 megajoules per kg levert.  Een van de grote pijnpunten was dat oververhitte waterstof de bekleding van de brandstof kan aantasten, waardoor de motor radioactieve brandstof kan lekken (deze materie ligt een stuk gecompliceerder dan hier voorgesteld n.2). Maar terwijl dit een probleem op aarde is, is het minder zorgwekkend in LEO.  Natuurlijk is er nog steeds de financiële uitdaging en het is de moeite waard eraan te denken dat het bedrijf er trots op is goedkoper en net zo goed te zijn als het gaat om conventionele ruimtevaart, dus het feit dat ze bereid zijn om nucleaire voortstuwing af te staan ??aan de overheid geeft een idee hoe moeilijk nucleaire voortstuwing kan zijn. Met een energiedichtheid die een miljoen keer groter is dan conventionele raketbrandstoffen, is de attractiviteit van kernreactoren onmiskenbaar, maar zelfs als de engineeringproblemen met een nucleaire raket zouden worden opgelost, zijn er nog steeds aanzienlijke obstakels op het pad van een hypothetische SpaceX-NASA  hybride nucleaire Mars raket. een van de hindernissen is de aansprakelijkheidsovereenkomst van 1972, die van invloed is op de planning en uitvoering van bijna alle ruimtelanceringen, maar aanvullende eisen stelt aan voertuigen die nucleair materiaal vervoeren. En er is de VN-resolutie over nucleaire krachtbronnen, die vrij duidelijk is in het opstellen van de richtlijnen en criteria voor nucleaire veiligheid aan boord van een ruimteschip die gebruik maakt van nucleair materiaal voor  voor niet-propulsie doeleinden.

Ruimtevaart resoluties en publieke opinie

De zogeheten ‘Liability Convention’ van de VN, de conventie over internationale aansprakelijkheid voor schade veroorzaakt door ruimteobjecten is  een van de grote vier ruimteresoluties die geratificeerd is door 90 lidstaten, waaronder China, de VS, en Rusland. De conventie houdt lancerende staten  aansprakelijk voor schade aan andere naties veroorzaakt door  ruimtevaartobjecten die vanaf hun lanceringsvaartuigen naar de aarde vallen. Stel dat SpaceX een commerciële privésatelliet op een Falcon 1 lanceert en de satelliet crasht in hartje Londen. In dit scenario zou SpaceX verantwoordelijk zijn voor het betalen van de schade aan de Britse overheid, inclusief eventueel verlies van mensenlevens, lichamelijk letsel en schade aan privé- en openbare voorzieningen. in de meeste gevallen zou de belastingbetaler in de VS waarschijnlijk voorkomen dat hij de volledige kosten van de schade moet betalen, omdat  commerciële lanceerbedrijven zoals SpaceX  een verzekering moeten afsluiten die dit soort ongevallen precies omvat. Een nucleair aangedreven ruimtevaartuig stelt het bedrijf, en  in dit geval meer specifiek hun juridische team voor  enkele unieke uitdagingen. En in het ergste geval, met een catastrofe boven bewoond gebied wordt het team  geconfronteerd  met  het bepalen van de reikwijdte van potentiële schade  vanwege de blijvende gevolgen van radioactieve besmetting. Uiteraard zouden ze proberen het risico te verkleinen door het veiligste vluchtprofiel te bepalen om mogelijke schade aan landen en mensen te minimaliseren en veiligheidsmaatregelen te implementeren, zoals het installeren van robuuste impactshells. Deze maatregel werd geïmplementeerd op de Cassini-missie. (Cassini droeg 33 kg plutonium verspreid over 18 modulaire eenheden met zich mee, elk met een eigen hitteschild en impactshell. Deze containers werden uitvoerig getest tot complete vernietiging aan toe. Daaruit bleek dat de containers de  plutonium slechts in veel zwaardere  omstandigheden vrij  geven dan waarschijnlijk aanwezig zou zijn tijdens de lancering. Echter zelfs met al deze veiligheidsmaatregelen bleek het een zware verkoop aan het publiek te zijn ). Verder is er de VN resolutie uit 1992, ‘Principles Relevant to the Use of Nuclear Power Sources in Outer Space die, hoewel niet zo zwaar als de aansprakelijkheidsconventie (en resoluties zijn ook  niet expliciet bedoeld om bindend te zijn voor lidstaten), nog steeds deel uitmaakt van het internationaal gewoonterecht,  deze overeenkomst tussen naties vraagt ??dat landen regels volgen zonder expliciet een document op te stellen waarin staat dat ze zijn gebonden om het gebruikelijke internationale recht te volgen. Het vormt wel een  interessante leidraad voor het gebruik van nucleaire energiebronnen in de ruimte daar in de resolutie alleen de werkingsprincipes zijn vastgelegd en niet op toepassingen  m.b.t.  voortstuwing m.g.v. nucleaire energiebronnen, dan zou het waarschijnlijk wel  betrekking hebben op ruimtevaartuigen zoals Cassini, maar niet op door  NERVA techniek  voortgestuwde raketten.

Het boek dat op bladzijde 148 verder gaat met de nucleaire optie, stelt dat deze optie integraal deel uitmaakt  van de visie van het SpaceX.  Ik citeer de Engelse kernzin; ‘For the transition from Earth to Mars, the company  believes nuclear thermal is the preferred propulsion for the piloted phase of the mission, while solar-electric power could be used to transport supplies. The nuclear option, discussed briefly in chapter three  is an integral part of the company’s  exploration vision and its a part that makes perfect sense.’ Vervolgens worden door Seedhouse  vijf kernpunten opgenoemd; ten eerste is het gebruik van chemische raketten praktisch onhaalbaar omdat een Mars missie  maar liefst 15  conventionele raketten  nodig heeft om dezelfde missie uit te voeren als twee nucleair aangedreven raketten die vanaf de aarde zouden vertrekken voor een Mars missie. Ten tweede leidt deze optie snellere transittijden. Ten derde kan de technologie voor de nucleaire optie worden afgeleid van het nucleaire  NERVA (Nuclear Engine Reactor for Vehicle Applications) programma. Ten vierde zou het bedrijf gebruik kunnen maken van Russische technologie op basis van de Russische voorstellen die in 2009 werden gedaan om zijn vroegere nucleaire propulsie werk nieuw leven in te blazen (n.3). Ten vijfde, het is niet alsof deze technologie nieuw is, het bestaat al veertig jaar, en toen was de technologie nog steeds de beste optie voor een Mars-missie en nog steeds beter dan de hedendaagse chemische raketten. Seedhouse stelt  dat de nucleaire optie zou een game-changer kunnen zijn en een bedrijf dat er serieus over denkt naar Mars af te reizen zou gek zijn om er niet serieus over na te denken.

In de Mars missie architectuur van SpaceX zou een vloot van ruimte laadschepen (spacetugs), aangedreven door clusters van elektrisch aangedreven stuwraketten, met elk ongeveer 4  ton lading vervoeren in een 390-daagse heen- en terugreis.  Voor de Mars landing stelt SpaceX een, door LOX/Methaan aangedreven LRE,  Falcon X voor,  met een nuttige lading van 38.000 kg. De cargo vaartuigen naar LEO  worden aangedreven door  Merlin 2 motoren, met een vermogen van 771.00 kg (1.7 miljoen lb) op zee niveau en  862.000 kg (1.92 miljoen lb)  in een vacuüm. (Deze Merlin-motor die 3 x in de eerste trap van de Falcon 9 zit, is in staat meer dan 771.000 kg (1,7 miljoen lb) aan stuwkracht op zeeniveau te genereren, het equivalent van meer dan vijf 747 straalvliegtuigen. De bovenste raket trap wordt aangedreven door een enkele Merlin, die is geoptimaliseerd voor prestaties in LEO).  Voortbouwend op de  Falcon X zou de Falcon X Heavy zijn, die uitgerust wordt met negen motoren geclusterd in drie kernen die samen 10,8 miljoen pond stuwkracht zouden genereren bij de lancering en 125.000 kg in LEO zouden kunnen brengen. Het ontwikkelen van Falcon X Heavy zou uiteindelijk resulteren in de creatie  van de Falcon XX, een kolos die in staat is om 140.000 kg naar LEO te brengen. Maar wat als SpaceX de volgende stap verder dan LEO niet kan nemen?  Er zijn er die menen  dat gewaagde missies zoals naar Mars meer een ‘NASA’ taak zou moeten zijn. Commerciële bedrijven brengen astronauten in LEO, en NASA zal de  vrijheid zal hebben om tijd en middelen te besteden aan verdere missies. NASA heeft tientallen jaren ervaring met astronauten naar LEO brengen, dus met commercieel ondernemen dat de taak overneemt, is er voor NASA geen reden om dit te blijven doen. Op één niveau is het een logisch argument,  de reden  dat de overheid kan helpen het risico te verkleinen en de technologie te bewijzen, zodat op enig moment in de toekomst commerciële ondernemingen kunnen instappen en het overnemen net zoals ze langzaam aan het doen zijn in de LEO arena. Maar wat als blijkt dat NASA de financiering voor een Marsmissie niet rond kan  krijgen of als de commerciële onderneming het alleen wil doen? Kan een private onderneming, of een van de, het zijn die ons  in het volgend decennium naar Mars brengt? De signalen zijn veelbelovend.  De bewezen prestaties van SpaceX in combinatie met Musks ambitie kan het beste van beide werelden combineren om het uiteindelijk doel, ‘bootprints on Mars’ te zetten en  een precedent te scheppen voor toekomstige Mars reizen en verdere exploratie. (n.4)  Voor Musk was het ISS nooit meer dan een tussenstop op weg naar het bereiken van Mars. Sterker nog, in bijna elke fase van de ontwikkeling van de Falcon raketten ging het niet om het vervullen van de volgende missie, maar  was het  gericht op de stappen die voor ons lagen, het was een heel andere benadering, het voltooien van de missie,  dan  die in de vroege dagen van het bemand ruimtevaartprogramma. Bronnen; Reddit, SpaceX, How to make commercial spaceflight a reality?

n.1.  ‘Mister Musk likes to defend technologies that we don’t even know whether they are physically feasible like electrical propulsion for jets, neuron-microchip interfaces to boost the power of consciousness, nuclear fusion that would be easily done if you increased the scale of the reactor etc.He clearly likes to throw little ideas like that without giving any details on where he would start if he had to undertake those projects. So I wonder why he says that the future of rockets propulsion is petrol based fuel (ironic exception he calls it) and not a propulsion system based on nuclear fission. I believe that such a technology would easily allow the reusability of any scale spaceships and would make mankind a space fairing civilization as he wants it to be. Any idea on why he doesn’t consider this option?’  aldus ‘Coqueland’ twee jaar geleden, op Reddit.. Op 12 oktober 2017 was er een soorgelijke vraag op NASA. Spaceflight.com  https://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=44401.20

n.2  https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket

n.3 A.Lanin’s Nuclear Rocket Engine Reactor, Springer, 2012 volledige tekst te lezen op o.a.  https://archive.org/details/A.LaninNuclearRocketEngineReactor

In hoofdstuk 8, Outlook for NRER’s staat in de laatste alinea; ‘The Commission of the President of Russia on the Modernization and Technological Development of Russian Economics in 2009 recommended reconsidering the question of developing a spacecraft with a nuclear rocket engine.  In 2010 the government of Russia, provided the initial financial support for the development of an outline for a project of a megawatt nuclear energy device, with the possible beginning of the module construction in 2018.’   Verder gaat de tekst vooral over het onderzoek naar brandstofelementen, met de nadruk op het gebruik van keramische materialen.

n.4 In de Physicus nummer 3 2018 staat in het artikel over Elon Musk; ‘Daarbovenop lobbyt hij sterk bij de overheid, wat in de nabije toekomst kan resulteren in een mogelijke monopoliepositie voor zijn raketlanceringssystemen. Vanaf 2022 mag de concurrent van Musk, de United Launch Alliance, namelijk niet meer hun raketmotoren door Rusland laten maken, wat ervoor zorgt dat in wezen SpaceX als enige raketbedrijf geld van de overheid mag krijgen.’

Reacties

  1. Ill Matilled zegt:

    Props aan Angele voor de uitgebalanceerde en informatieve update over de stand van zaken omtrent conventionele vs. nucleaire voortstuwing en aanverwante projecten en toekomstvisies in de hedendaagse ruimtevaart.

    De ontwikkelingen in de VS op het gebied van verregaande samenwerking tussen het publieke sector en (wetenschappelijke) overheidsorganen laten zien dat deze anno 2018 inmiddels een feit is en dat dit uiteindelijk navolging zal vinden ook in andere landen en regionen (Europese Unie, Rusland, China, Japan, India, Verenigde Korea’s etc).

    De regulatieve en commerciële vrijheden van het bedrijfsleven gecombineerd met de vaste en betrouwbare expertise van instituten zoals een NASA zorgen voor een meer actieve interesse van de (wereld) politiek en nog belangrijker van het grote publiek zonder welk de toekomst niet gerealiseerd kan worden.

    Wij hebben helaas nog te veel inconsistenties tussen experiment en observatie op het gebied van elementaire kennis over de werking en samenspel van natuurkrachten en deeltjes om een werkende, ‘alles’ omvattende theorie te kunnen vormen die de realiteit (i.e. het leven) nauwkeurig en foutloos omschrijft. Deze meest basale discrepantie speelt ons flink parten waardoor we genoodzaakt zijn om risicovolle en/of inefficiente technologieën verder te ontwikkelen en toe te passen simpelweg omdat we vooralsnog geen superieure alternatieven kunnen realiseren.

    Het hoopvolle wachten is op een revolutionele doorbraak in inzicht die (onder andere) nieuwe technologieën mogelijk zou kunnen maken zoals bijvoorbeeld FTL travel, effortless translocation, anti-gravity drives etc. als we buiten beschouwing laten dat deze misschien (of niet) reeds beschikbaar zijn maar vanwege de aard en de graad van impact op de wereld(populatie) dezen (nog) niet geintroduceerd kunnen worden.

    Hoe dan ook, onze instrumenten en algemene kennis worden met de dag preciezer en het doel na decennia lang zeer uitbundig en onverantwoord omgaan met aardse resources is om vooral de juiste beslissingen te nemen zodat de komende generaties de directe, menselijke verkenning van de ruimte waar wij nu al van kunnen dromen kunnen verwezenlijken.

    • Angele van Oosterom zegt:

      Deze aanvullende onderbouwing omlijst m.i. het artikel. Dank hiervoor. Alinea 4 en 5 is inderdaad waar het mee valt of staat.

      ‘ Verenigde Korea’s’, dit leek een tijdje terug nog verder weg dan Mars….

      K.J. dank voor de tip van videoreeks. Een deel van de mensen vindt het zo gepresenteerd toch duidelijker dan alleen tekst en plaatjes.

  2. K.J. zegt:

    Voor de liefhebbers heb ik nog wat korte video’s op Youtube staan over de techniek van ruimtevaart. Deze maken deel uit van een online cursus van de Universiteit van Madrid, “edX The Conquest of Space Space Exploration and Rocket Science”

    Video 4 van 6 in deze playlist gaat over nucleaire aandrijving;
    https://www.youtube.com/playlist?list=PL7i5RO7jlMEPwDMBQk9uDoGXOubLn8VLQ

    En nog een playlist met het betere werk 🙂

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.