Al ruim zestig jaar is het extreem giftige hydrazine de standaardbrandstof in de ruimtevaart. De sector wil er vanaf. Nu maken nieuwe, ‘groene’ brandstoffen hun opmars.
In de film Europa Report (2013) gaan zes astronauten op weg naar Jupiter-maan Europa, om daar naar buitenaards leven te zoeken. Als twee van hen terugkeren van een ruimtewandeling gaat het mis. Voordat ze de luchtsluis weer in willen gaan, ziet een van hen een vloeistof op zijn ruimtepak. Het blijkt hydrazine, de brandstof waar het ruimteschip op vliegt.
Direct begrijpen de astronauten de ernst van het probleem. “Wat kunnen we doen om hem ontsmetten?”, vraagt een van de astronauten. “Dat kan niet”, is het antwoord. “Als we hem binnenlaten wordt het hele ruimteschip giftig.” Naarstig zoeken ze een oplossing. Maar omdat er haast bij is – de andere astronaut zit bijna zonder zuurstof – besluit de astronaut met hydrazine op zijn pak zichzelf op te offeren. Hij duwt zijn collega de luchtsluis in en zet zich af tegen het schip, waarna hij een eenzame dood sterft in de ruimte.
Hydrazine werd voor het eerst gebruikt als raketbrandstof tijdens de Tweede Wereldoorlog. De Duitsers gebruikten het onder andere voor hun ‘vliegende bom’, de V-2. Sinds de vroege jaren zestig is hydrazine de standaardbrandstof in de ruimtevaart. Niet voor lanceringen, maar voor de kleine straalmotoren die satellieten en ruimtevaartuigen hebben om bijvoorbeeld in de ruimte van koers te veranderen. Ook maan- en planeetlanders, die robotwagentjes zoals Curiosity en Perseverance naar Mars brachten, maakten voor hun stuwsystemen gebruik van hydrazine.
Betrouwbaar, efficiënt en extreem giftig
Hydrazine heeft in de afgelopen zestig jaar een reputatie opgebouwd van een betrouwbare, efficiënte en compacte brandstof. Het blijft stabiel onder extreme omstandigheden, is ontvlambaar bij lage temperatuur en geschikt om langdurig op te slaan. Allemaal belangrijke voorwaarden voor gebruik in de ruimte. Maar hydrazine is ook extreem giftig. Op de huid veroorzaakt het spul ernstige brandwonden. Als het in contact komt met de lucht ontstaat er giftige rook. Inademen daarvan leidt in kleine hoeveelheden al tot benauwdheid, orgaanfalen en uitval van het centrale zenuwstelsel, om maar een paar voorbeelden te noemen. Al in 2011 zette de Europese Commissie hydrazine op de EU-lijst met ‘zeer zorgwekkende stoffen’. Een vergaand verbod op het gebruik van hydrazine is zowel in de EU als in de VS in voorbereiding.
Vanwege de giftigheid van hydrazine hanteren ruimtevaartorganisaties en commerciële ruimtevaartbedrijven die ermee werken uitgebreide veiligheidsprocedures. Bij het vullen van de brandstoftanks van een satelliet dragen medewerkers speciale pakken. Iedereen die niet bij het vullen betrokken is moet het gebouw verlaten. Die procedures kosten veel tijd en geld. Dus zoekt de ruimtevaart naar alternatieven. Een schonere en minder gevaarlijke brandstof zou een belangrijke stap voorwaarts betekenen voor de sector.
‘Groen’ betekent: niet-giftig
De zoektocht gaat langzaam, maar de laatste jaren lijken zogenoemde green propellants een stevige opmars te maken. Onlangs maakte het Amerikaanse Nasa bekend dat het voor het eerst een volwaardige wetenschappelijke ruimtemissie heeft gelanceerd die vliegt op zo’n ‘groene’ brandstof. ‘Groen’ betekent hier: niet-giftig.
Deze missie, met de naam Lunar Flashlight, is nu onderweg naar de maan. Daar gaat deze kleine satelliet met lasers de diepe donkere maankraters afspeuren, op zoek naar waterijs. Lunar Flashlight vliegt op Ascent (Advanced Spacecraft Energetic Non-Toxic). Deze brandstof is in samenwerking met de Amerikaanse luchtmacht ontwikkeld en is één van de brandstoffen in ontwikkeling als toekomstige vervanger voor hydrazine. Nasa deed in 2019 al een succesvolle testvlucht met Ascent.
Ook het Europese Esa zoekt naar nieuwe brandstoffen. In 2013 nodigde de organisatie de Europese ruimtevaartindustrie uit om samen te gaan werken aan alternatieven. Een van de bedrijven die nu samen met Esa optrekt is Dawn Aerospace uit Delft. Het bedrijf werkt zowel aan de groene brandstoffen zelf als aan de voortstuwingssystemen die ervoor nodig zijn. “De veiligheidsprocedures die nodig zijn bij werken met hydrazine kosten soms wel een half miljoen euro per satelliet,” vertelt Bastiaan Bom van Dawn Aerospace. “Bij grote wetenschappelijke missies die zelf al vele miljoenen kosten is dat nog wel op te brengen. Maar de trend is juist dat er steeds meer kleine, commerciële satellieten komen, bijvoorbeeld voor communicatienetwerken. Die moeten goedkoop zijn en in massa geproduceerd kunnen worden. Dan zijn de veiligheidsmaatregelen die hydrazine als brandstof vereist veel te duur en te tijdrovend.”
Kan het ook dertig jaar mee?
Efficiëntie en kostenbesparing zijn dus de belangrijkste drijfveren om in te zetten op nieuwe brandstoffen. Duurzaamheid en veiligheid zijn secundair, geeft Bom toe. “Het is uiteraard niet ondenkbaar dat er bij een lancering iets misgaat en er hydrazine in de omgeving terecht komt. Maar die kans is uiterst klein.”
“Een van de belangrijkste voorwaarden voor nieuwe brandstoffen is dat ze geschikt zijn om langdurig op te slaan. Hydrazine kan je zo dertig jaar in een tank houden, zonder dat de kwaliteit achteruitgaat. Dat is belangrijk omdat veel ruimtemissies, zeker de grote wetenschappelijke missies van Nasa en Esa, nu eenmaal lang moeten kunnen rondvliegen. Bij nieuwe brandstoffen wil je heel zeker weten dat ze dit minstens net zo goed kunnen als hydrazine en ook net zo betrouwbaar zijn. Dat uittesten en bewijzen kost vanzelfsprekend veel tijd.”
Voor de kleine, commerciële satellieten waar Dawn Aerospace zich op richt, speelt dit probleem minder. Die hebben vaak een levensduur van een jaar of vijf. Daarna worden ze doorgaans geparkeerd in een kerkhof-baan, een veilige baan om de aarde ver weg van operationele satellieten, om botsingen te voorkomen.
De wegwerpsatelliet wijst de weg
De commerciële ruimtevaart vliegt dan ook al volop met groene brandstoffen. Voortstuwingssystemen van het Delftse bedrijf zitten nu al op een elftal satellieten in de ruimte: twee communicatiesatellieten en ook een aantal satellieten voor ruimtetransport, bedoeld om andere satellieten na lancering naar hun juiste baan te brengen. “Ons brandstofsysteem is zeker net zo efficiënt als een systeem dat werkt op hydrazine,” zegt Bom. “Maar het belangrijkste voordeel is dat er geen giftige stoffen bij komen kijken. Het systeem zit bovendien eenvoudig in elkaar. Er is bijvoorbeeld geen extra stof nodig om het geheel onder de juiste druk te houden. Dat soort innovaties dragen ook bij aan kostenbesparing.”
Ondertussen zit Esa zelf ook niet stil. De organisatie werkt met Dawn Aerospace, maar ook met andere bedrijven, waaronder Ecaps. Met een door dit Nederlands-Zweedse bedrijf ontwikkelde schone brandstof kunnen oude, op hydrazine gebaseerde stuwsystemen deels hergebruikt worden. Dat is voor een grote organisatie als Esa voordelig. Het bedrijf meldt al een hogere efficiëntie en dichtheid dan hydrazine, waardoor er minder brandstof nodig is voor dezelfde stuwkracht. Twintig jaar bewaren in een brandstoftank is geen probleem. En de brandstof is ook al getest in missies in een lage aardbaan.
Het klinkt allemaal veelbelovend, maar tot nu toe heeft Esa de ideale opvolger voor hydrazine nog niet gevonden, laat Esa-ingenieur Ferran Valencia Bel per mail weten. Hij doet onderzoek naar brandstoffen bij Esa’s onderzoekscentrum Estec in Noordwijk. “Een belangrijk bezwaar bij de meeste groene brandstoffen is dat hun verbrandingstemperatuur nog te hoog is. Dan zouden we veel hittebestendige zeldzame aardmetalen moeten gebruiken in de stuwsystemen. Dat is complex qua fabricage en vooral heel duur.” De lage verbrandingstemperatuur van hydrazine heeft nog een voordeel: het is sneller op te starten. “Dat is belangrijk omdat er soms situaties zijn waarin we satellieten snel moeten bijsturen. Als zo’n ‘koude start’ een vereiste is, dan moet dus de verbrandingstemperatuur omlaag. Wat we zien is dat we dan flink inleveren op de prestaties van deze brandstoffen.”
Experimenteren doen je niet op een miljardenproject
Na ruim zestig jaar lijkt het einde van hydrazine als standaardbrandstof in de ruimtevaart langzaam maar zeker in zicht te komen. Maar alleen veiligheids- en duurzaamheidsoverwegingen zijn niet voldoende voor de sector om stappen te zetten. Nieuwe brandstoffen moeten eerst en vooral bewijzen dat ze zo effectief en ook zo betrouwbaar zijn als hun giftige voorganger. Ruimtevaartorganisaties zullen een miljardenproject als de James Webb ruimtetelescoop nu eenmaal niet graag met een experimenteel brandstofsysteem op pad sturen.
“Het draait in deze sector allemaal om het opbouwen van reputatie,” zegt ook ruimtevaartdeskundige Erik Laan. “De groene brandstoffen hebben nog lang niet de reputatie die hydrazine heeft. Maar hydrazine is echt over een jaar of tien wel verdwenen uit de ruimtevaartindustrie. Misschien wordt het dan alleen nog gebruikt voor hele specifieke missies.”
Lees ook:
Bedrijven zien nieuwe kansen in de ruimte
Het internationaal ruimtestation ISS nadert zijn levenseinde. En de betrokken overheden gaan geen opvolger bouwen. De commercie neemt het over.
