Keihard afkoelen; Jonge Brit ontwikkelt efficiënte warmtewisselaar

ELK VOERTUIG DAT de ruimte in wordt gestuurd moet niet alleen brandstof meenemen, maar dient ook voor zijn eigen zuurstof te zorgen. Daardoor wordt de start, waar toch al de meeste energie wordt verbruikt om de aardse zwaartekracht en luchtweerstand te overwinnen, een nog inefficiënter en dus duurder proces. Alle 'ruimtevliegtuigen' worden daarom ontworpen met motoren die zowel op zuurstof als op lucht - in de zogenaamde air breathing mode - kunnen opereren. De atmosfeer bevat immers in principe voldoende zuurstof.

Met dit soort voor hergebruik geschikte toestellen zouden niet alleen satellieten in een baan om de aarde gebracht kunnen worden, maar zouden ook passagiers in twee uur (met de spacebus) van Europa naar Australië kunnen vliegen.

Maar het bleek lang niet eenvoudig een raketmotor lucht te laten ademen. Het probleem is dat wanneer eenmaal snelheden van vijf keer de geluidssnelheid (Mach 5) zijn bereikt, de lucht ook met enorme snelheden naar binnen wordt gezogen en zo zeer heet wordt. Voordat deze dan ook met de brandstof (meestal waterstof) in contact kan worden gebracht, moet er worden gecomprimeerd én afgekoeld. En dat bleek de grootste hinderpaal. Want hoe kun je lucht van rond de 1000 °C bij Mach 5 in zeer korte tijd afkoelen tot beneden de 100 °C? Overal ter wereld hebben ingenieurs zich hierover gebogen. Hun conclusie: het kan niet.

Veel ruimtevliegtuigen leken mede hierom niet verder te komen dan de tekentafel. British Aerospace, dat sinds begin jaren tachtig serieus aan de ontwikkeling van HOTOL (HOrizontal TakeOff and Landing) had gewerkt, was gedwongen het project stop te zetten toen de regering de geldkraan dichtdraaide.

Onlangs werd duidelijk dat een student lucht- en ruimtevaarttechniek van de universiteit van Bristol zijn ervaren collega's te slim af is geweest. Hij slaagde wèl een voldoende efficiënte warmtewisselaar (koeler) te ontwikkelen. De vijfentwintigjarige James Murray bouwde een prototype ter grootte van een lucifersdoosje, en kon daarmee hete gassen zelfs tot onder het vriespunt afkoelen. Ondanks de geringe afmetingen kan er zo'n 13 kilowatt aan warmte mee worden onttrokken - iets waar een autoradiator een duizend keer groter oppervlak voor nodig heeft.

Hoewel de precieze details van de uitvinding nog niet naar buiten zijn gebracht, is al wel bekend dat zich binnenin de warmtewisselaar een 'veld' met meer dan vierhonderd ultradunne buisjes van roestvrij staal bevindt, elk een paar tiende millimeter dik. Wanneer de hete lucht daar omheen stroomt, wordt de afgestane warmte aan de binnenkant efficëint afgevoerd met behulp van vloeibaar helium. Dit soort oplossingen waren eerder overwogen, maar dan voor veel dikkere buisjes.

Omdat Murray een speciale manier ontwikkelde om de buisjes vast te zetten kon hij per oppervlakte-eenheid meer koelingscapaciteit verwezenlijken. Het team dat samen met hem nu aan het opschalen van de warmtewisselaar werkt, is vol vertrouwen dat een grotere uitvoering uiteindelijk zo'n 400 megawatt aankan, het vermogen van een kleine kerncentrale. De koeler zou zelfs in dat geval niet meer dan een halve ton wegen. Het is dan ook geen wonder dat (volgens de New Scientist van 7 februari) zowel elektriciteitsmaatschappijen als de Formule-1 racerij grote interesse hebben getoond in Murray's vinding.