Delfts hitteschild gekoeld met water

Stoomketel stort de dampkring in

Aan hitteschilden van ruimtevaartuigen is nog behoorlijk wat te verbeteren, als je het ir. Tom van Baten vraagt. Waterkoeling is al revolutionair. Zulke koeling moet een nieuwe generatie ruimtevaartuigen mogelijk maken die zonder veel kosten opnieuw te gebruiken zijn.

Tegen de extreme wrijvingshitte die ontstaat bij een afdaling in de dampkring is weinig bestand. Eigenlijk alleen de broze keramieken kunststoftegels die op de wand van de Space Shuttle zitten. Die zijn echter duur, breken snel, en moeten na elke landing minutieus gecontroleerd worden op scheurtjes. Als er één breekt, betekent dat een brandgat in de romp bij de volgende landing.

Nog primitiever is de dikke kunstharslaag die sinds de Apollo-missies onder veel capsules zit en die langzaam opbrandt bij het afdalen. ,,Een beetje grof'', vindt Tom van Baten, onderzoeker bij Lucht- en Ruimtevaart. Het grootste nadeel is dat je de capsule niet nog eens kunt gebruiken, iets dat bij de Space Shuttle ook heel duur is.

Zelf werkt de onderzoeker aan een beter en eenvoudiger idee: laat de metalen romp van de capsule de hitte opvangen. En koel het metaal met het oudste koelmiddel ter wereld: water. Dit is het idee achter Dart, het Delft aerospace re-entry-test-demonstrator, een kleine experimentele ruimtecapsule. Van Baten en collega's willen deze capsule door een Russische raket laten lanceren, om hem vervolgens terug in de atmosfeer te laten vallen.

Tijdens die val willen de onderzoekers zo veel mogelijk meten aan de gloeiende hete gasstromen rond de capsule. Zo komen aërodynamici erachter hoe betrouwbaar hun computermodellen zijn van zulke hete woeste gasstromen, waarin ook nog eens chemische reacties plaatsvinden. Windtunnels zijn voor dit soort extreme omstandigheden niet geschikt.

Aantasting

Als alles goed gaat, hoopt Van Baten, zou Dart een voorloper kunnen worden van een nieuwe reeks 're-usable re-entry vehicles', ruimtevaartuigen die zonder al te veel extra kosten opnieuw gebruikt kunnen worden. Daarmee zouden de kosten van het in de ruimte brengen van ladingen flink terug lopen, van tienduizenden guldens per kilogram tot iets meer dan duizend.

Maar zo ver is het nog lang niet. Voorlopig doet de faculteit alleen nog mee in een haalbaarheidsstudie naar een Dart-achtig project van de European Space Agency (ESA). Lucht- en ruimtevaart houdt de mogelijkheid open om zelf de Dart te lanceren, met een aantal partners, maar de financiering daarvan gaat moeizaam (zie kader).

Aan het plan wordt wel gewerkt, eigenlijk al sinds een groep studenten in 1999 het tijdens op een ontwerpproject op poten zette. ,,De opdracht was: ontwerp een klein ruimtevaartuig dat door de faculteit gebouwd en gevlogen kan worden'', vertelt Van Baten. De 'REVolution', een kegelvormige metalen capsule die het resultaat was, zag er zo goed uit dat de faculteit met een paar partners het plan overnam.

Het gebruik van de 'superlegering' PM1000 is cruciaal, vertelt Van Baten. De legering van nikkel en chroom, met sporen aluminium, titanium en yttriumoxide kan temperaturen van 1200 graden weerstaan. ,,En als het oxideert, vormt het een laag oxide die zo dicht is dat hij beschermt tegen verdere aantasting'', zegt Van Baten.

Nog een voordeel van dat laagje is dat het niet werkt als katalysator. In de hete stromen langs de capsule ontstaan gemakkelijk radicalen, losse, zeer reactieven atomen stikstof en zuurstof. ,,Dat proces neemt warmte op, en dat is goed'', zegt Van Baten, ,,maar er is de kans dat ze later weer recombineren op de capsule en hun warmte afgeven.'' Veel metalen hebben een katalyserende werking op dat recombinatieproces. Het oxidelaagje op PM1000 heeft die negatieve werking niet.

Gloeiende staaf

Om de hitte in het metaal de 1200 graden niet te laten overschrijden, is in de bolle punt van de capsule een soort stoomketel in de vorm van een bol gepland. De hitte brengt het water aan de kook, maar het overstijgt de 150 graden niet. Het omzetten van water in stoom, dat de capsule aan de achterkant verlaat, kost behoorlijk wat warmte. Tien liter water is genoeg om de hitte van de hele vrije val af te voeren, volgens de berekening.

De zijwanden van de capsule krijgen minder hitte te verduren, maar dreigen nog altijd 1400 graden te worden. Te heet dus. ,,Hete materialen raken een deel van hun warmte kwijt door straling'', zegt Van Baten, onder andere in de vorm van zichtbaar licht, zoals bij een gloeiende staaf.

Doordat in Dart een ruimte onder de buitenwand openblijft, kan het metaal ook naar binnen stralen. Op een kleine afstand onder de metalen wand zit een poreuze laag die verzadigd is met water. De straling verhit het water, dat warmte opneemt door te verdampen.

De faculteit heeft het idee al met succes getest, en er is patent op aangevraagd. Door alle koelingskunstgrepen zou de lading van de capsule, bij de testvlucht rekken vol elektronica, de 50 graden niet mogen overstijgen.

Als de Delftse droom uitkomt, zal op zijn vroegst in 2004 een raket opstijgen van een onderzeeër in de Barentszee. Eenmaal naar bovengebracht, raast Dart op 100 kilometer hoogte met 25.000 kilometer per uur de atmosfeer in, waarna hij aan een parachute in het Siberische Kamtsjatka landt. De meetgegevens waar het om gaat zitten dan in de elektronica aan boord, maar voor de zekerheid worden ze nog voor de landing overgeseind naar de aarde.

,,De draagraket is de oude SS-N-18, een oude Russische kernraket, die volgens verdragen vernietigd moeten worden'', zegt Van Baten. Een commerciële lancering is voor de Russen een lucratieve manier van vernietigen, die de lanceerders 'maar' rond de miljoen gulden kost. ,,Je kunt zo een folder meekrijgen met allerlei beschikbare kernraketten'', zegt ir. Jeroen Buursink, die samen met Van Baten de Russische partners opzocht in het verre Novosibirsk. ,,Die hebben we op de terugweg toch maar even verstopt voor de douane.''

Hogere ruimtevaartpolitiek voor beginners

,,De financiering gaat wat moeizaam'', verzucht Tom van Baten die op zoek is naar geld voor zijn her te gebruiken ruimtecapsule. Dat komt zo: de Nivr, het Nederlands Instituut voor Vliegtuigbouw en Ruimtevaart, de onder Economische Zaken vallende organisatie die het Nederlandse ruimtevaartgeld verdeelt, heeft het niet zo op re-entry's. ,,Satellieten zijn in Nederland veel belangrijker'', legt Van Baten uit. Op dat gebied speelt Nederland een grotere rol.

Ook Europa levert niet de zomaar tien miljoen gulden die de Delftse ruimtevaartcapsule Dart zou moeten kosten. Om de ontwikkeling van een goed her te gebruiken ruimtevaartuig op gang te krijgen, heeft ESA, de Europese ruimtevaartorganisatie, een eigen 'tender' uitgeschreven, een openbare aanbesteding. Die tender is zwaar geïnspireerd op het Delftse idee. De TU Delft heeft daar nu op ingeschreven met een handvol andere organisaties, waaronder Fokker Space en het machtige EADS, het vroegere Aerospatiale, dat de Ariane-raketten bouwt.

,,De projectleider van EADS meent een groot deel van het onderzoeksgeld op te moeten slokken'', constateert Van Baten. Eerst wordt er een haalbaarheidsstudie gedaan, met een budget van 350 duizend euro. De TU krijgt een paar tienduizenden guldens. ,,Net genoeg voor wat reis- en verblijfkosten, en verplichte uren. Dat is niet veel, nee. Maar het is belangrijk om mee te doen, anders kun je later de meetgegevens van het experiment niet krijgen.''

Om zich niet helemaal te binden aan ESA, houdt Van Baten het Dart-project ook los van het ESA-project in de lucht. Buursink: ,,Anders moet je alles wat je eraan doet aan ESA overdragen, inclusief de rechten van het patent op ons koelsysteem.''

Misschien wil technologiestichting STW aan laatstgenoemd project bijdragen, maar dan moet een deel van het geld van het bedrijfsleven komen, vertelt Van Baten, en die doen in Nederland alles met steun van de al genoemde NIVR.

Tenzij de ESA er groot op inzet, ,,dan ligt participatie in Nederland ook weer beter'', verwacht Van Baten. Dat zou ook betekenen dat er van ESA geld komt. Maar, zegt Buursink, het is een ongeschreven regel dat een land dat aan een speciaal ESA-project bijdraagt, van ESA voor hetzelfde bedrag aan werk terugkrijgt. Nederland betaalt niet speciaal voor re-entry-onderzoek.

Van Baten vat samen: ,,Zelfs als ze ons plan exact uitvoeren, is het niet zeker dat we meedoen.''

Bruno van Wayenburg

© 2001 Redactie Delta