Reportage

Met een jodiummotor de ruimte in

Ruimtevaart Een ionenmotor is ideaal om satellieten in de ruimte voort te stuwen, maar de brandstof xenon is erg duur. Jodium lijkt een alternatief.

Een illustratie van de in 1998 gelanceerde sonde Deep Space 1. Het ruimtevaartuig gebruikte een ionenmotor op basis van kwik.
Een illustratie van de in 1998 gelanceerde sonde Deep Space 1. Het ruimtevaartuig gebruikte een ionenmotor op basis van kwik. Foto NASA

Op de Taiyuan-lanceerbasis in het noordoosten van China werd begin november de eerste satelliet met een jodiummotor aan boord gelanceerd. Jodium wordt gezien als een mogelijk alternatief voor xenon, nu vaak de standaardstuwstof in ionenmotoren die worden gebruikt om satellieten in de ruimte voort te bewegen. De lancering van vorige maand, een Frans-Chinees experiment, lijkt succesvol te zijn.

Elektrische voortstuwingsmotoren maken gebruik van elektrische en/of magnetische velden om de snelheid (en richting) van een satelliet te veranderen. Ionenmotoren werken hierbij met neutraal gas en negatief geladen elektronen. Die elektronen worden opgewarmd en botsen met grote snelheden op de gasatomen. Daarop schieten elektronen los van de atoomkernen, die op hun beurt geladen (geïoniseerd) raken. Door deze geladen kernen – ionen – te versnellen en naar achter uit te stoten, beweegt de satelliet zich voort.

Doorgaans wordt als ‘stuwstof’ xenon gebruikt, maar dat is relatief duur en schaars en de prijs kan daardoor erg volatiel zijn. De vraag is dus: wat is een goedkoper, maar net zo efficiënt gas? Jodium gooit hoge ogen.

Hoogenergetische deeltjes

Zo’n 15 kilometer ten zuiden van de Parijse Périphérique staat een verzameling universiteiten, Grand écoles, laboratoria, en bedrijven. Het Plateau de Saclay moet de komende jaren uitgroeien tot Europa’s grootste onderzoeks- en innovatiecluster. Daar, bij de afdeling voor plasmafysica van de prestigieuze École polytechnique, doet promovendus Florian Marmuse onderzoek naar de eigenschappen van jodium – hetzelfde element als we kennen uit ontsmettingsmiddelen – voor het gebruik in ionenmotoren.

In zijn kleine laboratorium staan computers en een stalen bol waar talloze draden en meters aan vastzitten. In die bol worden elektronen (de projectielen) en jodiumatomen (het doel) zodanig verhit dat zich een soep van hoogenergetische deeltjes (plasma) vormt, waaruit de ionen zich losmaken en zo als stuwstof werken.

Klassieke satellietvoortstuwing geschiedt door middel van chemische verbranding, legt Marmuse uit. Dat gebeurt met bijvoorbeeld waterstof of propeen. Bij die verbranding komt energie vrij waarmee de satelliet een impuls krijgt. „Daarmee kun je raketten van wel honderden tonnen lanceren. Maar eenmaal in de ruimte is het nadeel dat naarmate de satelliet meer of langer voortstuwing nodig heeft, er ook meer brandstof mee omhoog moet.”

Er is in de afgelopen decennia met veel meer gassen geëxperimenteerd, bijvoorbeeld met cesium of kwik. SpaceX, het Amerikaanse ruimtetransportbedrijf van miljardair Elon Musk, maakt gebruik van het kleurloze edelgas krypton om de Starlink-satellieten in hun baan rond de aarde te houden.

Maar xenon is nog steeds het populairst: het reageert bijna niet met andere stoffen, is makkelijk te ioniseren en heeft een relatief grote massa om de stuwkracht mee te genereren – al geldt voor alle elektrische voortstuwing dat die nog velen malen lager is dan een verbrandingsmotor. Daarom kunnen elektrische motoren ook niet lanceren en werken ze alleen als voortstuwing in de ruimte. Daar is immers geen luchtweerstand.

Zware titanium tank

Al twee jaar geleden had de ruimtevaartorganisatie NASA de eerste jodium-satelliet willen lanceren (iSat). Maar na meerdere vertragingen bij de Amerikanen wisten twee start-ups uit Frankrijk en China er op 3 november dus met de primeur vandoor te gaan. ThrustMe, een start-up gelieerd aan de École polytechnique, is gespecialiseerd in het bouwen van ionenmotoren op basis van jodium. Jodium kan worden opgeslagen als vaste stof voordat het wordt omgezet in gas aan boord van de satelliet, zegt Dmytro Rafalskyi, een van de oprichters van het Franse bedrijf. „Het heeft een hoge dichtheid en kan al bij een lage druk en energie geïoniseerd worden. Daarom is er niet zoals bij met xenon aangedreven motoren een grote en zware titanium tank nodig, die de hoge druk aankan. Dat maakt een satelliet met een jodiummotor veel eenvoudiger.”

De stof is wel reactiever dan xenon, maar niet in die mate dat het problemen oplevert – zoals kwik dat in vroegere experimenten erosie veroorzaakte in de motor, zegt zijn collega en mede-oprichter Ane Aanesland. En jodium is stukken goedkoper dan xenon. Voor een kilo xenon zou de start-up zo’n 5.000 euro moeten neerleggen, voor jodium kan dat wel 25 keer minder zijn. „Als je één satelliet wil lanceren, maakt de prijs misschien niet zo veel uit. Maar onze klanten zijn van plan om constellaties van soms wel honderden satellieten de lucht in te sturen. Dan telt elke gram.”

De motor van de satelliet die ThrustMe samen met de Chinese start-up Spacety lanceerde, gebruikt nog geen geïoniseerd jodium. In plaats daarvan wordt de voortstuwing gegenereerd door neutraal jodiumgas dat wordt samengeperst en versneld via een pijp de satelliet verlaat. Rafalskyi: „Dit is de eerste fase van de ionenmotor. Wij willen straks de stroom van neutraal jodium vanuit de pijp de ionisatieruimte binnen laten, in plaats het de ruimte in te laten vloeien. Vervolgens worden de ionen dan versneld in het elektrische veld, en verlaten ze de satelliet.” Omdat ionen grotere snelheden bereiken dan het neutrale gas, zorgen ze voor een grotere stuwkracht.

Hoewel het principe van ionenmotoren al aan het begin van de 20e eeuw werd onderzocht, maken ze pas sinds enkele decennia met regelmaat onderdeel uit van satellieten. Rafalskyi: „Dit is een erg conservatieve sector. Maar we wisten dat we alle kennis in huis hadden en nog maar een paar stappen hoefden te zetten. Dat hebben we gedaan en volgend jaar willen we eindelijk een satelliet met een echte jodium-ionenmotor lanceren.”