Stoom afblazen in de ruimte

Delftse ingenieurs hebben een alternatief ontwikkeld voor het keramische hitteschild dat ruimtevoertuigen beschermt bij terugkeer in de atmosfeer. Het project heeft de interesse gewekt van de ruimtevaartindustrie.

Alleen keramisch materiaal is bestand tegen de hoge temperaturen die door de luchtwrijving ontstaan bij de terugkeer van een ruimtevoertuig in de aardatmosfeer. De Amerikanen gebruikten keramische dekens als hitteschild voor de Apollo-capsules, en keramische tegeltjes aan de onderkant van de Space Shuttle. Ook de Russen beschermden hun Sojoez-capsules en het Buran-ruimteveer (dat alleen in 1988 één enkele onbemande vlucht maakte) op deze manier. Maar de ruimtecapsules zijn na gebruik alleen nog geschikt als museumstukken, en de shuttles vergen enorm veel onderhoud. Iedere Space Shuttle-missie kost ongeveer een half miljard dollar, en daarvan komt een groot deel voor rekening van het onderhoud aan de duizenden keramische tegeltjes. Veertigduizend manuren zijn nodig om al die tegeltjes grondig te inspecteren, en waar nodig te vervangen. Want de kleinste beschadiging kan catastrofale gevolgen hebben.

Ir. Tom van Baten is universitair hoofddocent Ruimtevaartmaterialen bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Technische Universiteit Delft. In april 1999 gaf hij tien studenten de opdracht om een klein terugkeer-voertuig (re-entry vehicle) te ontwerpen, dat helemaal door de faculteit zelf kan worden gebouwd. Dat impliceert dat alle facetten van de benodigde technologie binnen de TU kunnen worden gerealiseerd, en vooral ook dat de kosten laag zijn. Gekozen werd daarom voor een ballistisch (dus zonder enige besturing) voertuig dat met een raket de ruimte in wordt geschoten, bij terugkeer in de atmosfeer door wrijving afremt, en tenslotte aan een parachute veilig op aarde landt. Met die specificaties ontwikkelden de Delftse studenten REVolution, een op een pothoedje uit de jaren twintig gelijkend voertuigje, met een hoogte van 1,3 meter. De resultaten waren zo veelbelovend dat de Delftse ingenieurs besloten het project voort te zetten, en een prototype te ontwikkelen dat daadwerkelijk gelanceerd zal gaan worden.

Ter ondersteuning trok het project ir. Jeroen Buursink aan, vanwege zijn ervaring op het gebied van systeemintegratie in de ruimtevaart. Buursink vond een geschikte lanceerder: het Russische State Rocket Center Makeyev. In het kader van de nucleaire ontwapeningsverdragen moet een groot aantal SS-N-18 raketten worden vernietigd. De makkelijkste manier om dat te doen, is door de nucleaire lading te verwijderen en ze te lanceren. Om er toch nog profijt van te hebben zijn die raketten beschikbaar voor civiele toepassingen.

FLYING TESTBED

Inmiddels is de naam van het terugkeervoertuig omgedoopt in DART, een acroniem voor Delft Aerospace Re-entry Test demonstrator. Het wordt een `flying testbed' (vliegend laboratorium) voor het verrichten van aerodynamische metingen van de verschijnselen die optreden bij re-entry. Van Baten: ``Het uitvoeren van zulke metingen is uitermate belangrijk. Er is geen windtunnel op aarde die de omstandigheden daarboven kan simuleren, met zulke hoge snelheden en lage dichtheden van lucht, en zonder de invloed van de zwaartekracht. We maken wel allerlei berekeningen die voorspellen hoe het voertuig zich in de atmosfeer gedraagt, maar op basis van berekeningen alleen weten we niet precies wat er gebeurt. Dat willen we nu met DART gaan meten.''

Het belangrijkste probleem dat moet worden opgelost, is de hitte die ontstaat door de wrijving met de atmosfeer. In een baan om de aarde bedraagt de snelheid van een ruimtevoertuig ongeveer 8 km/s, ofwel Mach 25. Bij terugkeer in de atmosfeer remt het voertuig af door de wrijving met luchtmoleculen, waarbij de temperatuur aan het oppervlak oploopt tot circa 1800 °C. Zelfs de nieuwste, peperdure, met koolstof- of koolstof-carbidevezels versterkte koolstofmatrix materialen overleven deze enorme hittebelasting niet. Ze kunnen het voertuig weliswaar voldoende beschermen, maar oxideren (verbranden) daarbij. Buursink: ``Die materialen zijn alleen herbruikbaar als de temperatuur onder de 1600 °C blijft. Maar de temperaturen waar wij mee te maken krijgen, liggen een paar honderd graden hoger. Daarom proberen wij nu een metalen oplossing te vinden. Dat is veel goedkoper te produceren, en het vergt relatief weinig onderhoud.''

De Delftenaren hebben gekozen voor de `oxide-dispersie versterkte' legering PM1000 als bekleding van de buitenwand van DART. PM1000 bestaat uit nikkel en chroom met kleine hoeveelheden ijzer, titanium, aluminium en yttriumoxide. Het wordt als poeder gemengd, en onder hoge druk en temperatuur gesinterd. Daarbij ontstaat aan de buitenkant een chroomoxidelaag die bijzonder corrosiebestendig is, omdat het verdere inwerking van zuurstofatomen tegengaat. En wanneer een kleine beschadiging optreedt, bijvoorbeeld door een meteorietje, dan herstelt die laag zichzelf doordat het onderliggende chroom onmiddellijk oxideert. Bovendien heeft het materiaal een hoge emissiecoëfficiënt, wat wil zeggen dat het makkelijk warmte afgeeft aan zijn omgeving, ideaal dus voor dit doel.

Maar om het PM1000 in de dampkring te laten overleven moet het wel worden gekoeld. Water kan enorme hoeveelheden warmte opnemen; er bestaan nauwelijks stoffen met een hogere verdampingswarmte. In de neus van DART komt een met water gevulde metalen bol. Het principe is een aantal jaren geleden door Fokker Space bedacht, maar nog nooit toegepast. Het metaal draagt de wrijvingswarmte aan het water over, waardoor het gaat koken. De stoom die daarbij ontstaat wordt in de ruimte geloosd. Met deze technologie kan ten minste twee Megawatt per vierkante meter worden opgenomen. Daarnaast treedt het `druppel op de gloeiende plaat' effect op, waarbij zich een stoomfilm vormt tussen het metaal en het water. Dat reduceert de warmteoverdracht, en vermindert dus de efficiëntie. Maar tijdens het afremmen wordt het water met een versnelling van 10 tot 15 G tegen de voorzijde van de neus gedrukt. Hierdoor verbetert de warmteoverdracht en ontstaat minder snel een stoomfilm. Met deze waterkoeling zal de temperatuur van het metaaloppervlak slechts ongeveer 500 °C zijn.

KLEINE GAATJES

Hoewel de huid van het voertuig het thermisch minder te verduren krijgt dan de neus, loopt de temperatuur hier toch op tot ca. 1400 °C. In het verleden hebben Russische ingenieurs voorgesteld om in de huid kleine gaatjes te maken, met daarachter water. Door de verdamping daarvan koelt het oppervlak af.

``Op zichzelf een prima idee, maar wij kunnen het niet gebruiken omdat het onze aerodynamica-metingen verstoort'', zegt Van Baten. Hij bedacht een alternatief: ``Ik ben op het idee gekomen om een met water verzadigde poreuze laag op kleine afstand achter de wand te plaatsen. De koelingscapaciteit wordt zo verdubbeld, omdat de wand nu naar twee kanten straalt. Aan de binnenkant wordt die warmte overgedragen aan het water in die poreuze plaat. En de verdamping van het water garandeert, net als in de neus, een efficiënte koeling. Zo houden we de temperatuur van de wand een paar honderd graden lager, genoeg om niet te smelten.''

Tijdens de afdaling wordt de wand van het voertuig maar een paar minuten aan de maximale warmteflux blootgesteld. Daarom is een paar liter water al afdoende voor de koeling. Het poreuze materiaal, `ZAL' geheten, is een goedkoop en veelgebruikt isolatiemateriaal in de ruimtevaartindustrie. Het is superabsorberend en houdt vele malen zijn eigen gewicht aan water vast. In een centrifuge waar het aan een versnelling van 27 G werd blootgesteld, liep er geen druppel water uit. Van Baten: ``Als je dit verhaal vertelt aan mensen uit de ruimtevaartindustrie, dan staan ze je vol ongeloof aan te kijken. Het is zo simpel en het is zo `aards' dat niemand gelooft dat het echt werkt.''

KWARTSLAMPEN

Het materiaal doorstond glansrijk de test waaraan Van Baten en Buursink het onderwierpen. Ze gebruikten veertien kwartslampen, elk met een vermogen van 2500 W. Slechts één centimeter legden zij een droog en een waterverzadigd plaatje ZAL, afgedekt met de PM1000 buitenwand. De temperatuur aan het oppervlak boven het droge ZAL liep op tot ongeveer 1200 °C, een realistische temperatuur voor re-entry in de aardatmosfeer. Het oppervlak boven het natte ZAL bleef een paar honderd graden koeler; precies zoals voorspeld, en voldoende om de huid van het voertuig te laten overleven.

Naar verwachting zal DART over twee jaar gelanceerd worden uit een Russische kernonderzeeër in de Barentszzee, nabij Moermansk. De vlucht voert over geheel Noord-Rusland en eindigt met een zachte landing in Kamtsjatka. Inmiddels heeft de Europese ruimtevaartorganisatie ESA veel belangstelling getoond voor het DART-project. ESA bestudeert de haalbaarheid van een nieuwe generatie herbruikbare ruimtevoertuigen. Cruciaal daarbij is het vinden van een alternatief voor een keramisch hitteschild. De TU Delft heeft met de technologie van de watergekoelde DART een belangrijke troef in handen.

www.dart-project.com