Raketten kunnen het beste vanaf de Aarde opstijgen naar de ruimte met een raketmotor die kort (15 minuten) maar zeer krachtig hun werk hun doen. Als je eenmaal in de ruimte bent dan ben je ontsnapt aan de zwaartekracht van de Aarde.

De chronische explosie

Dat lukt prima als je vloeibaar zuurstof (2O₂) mengt met vloeibaar methaan (CH₄). Als dat bij elkaar komt dan explodeert het. Als dit op een gecontroleerde wijze bij elkaar komt, dan heb je een chronische gecontroleerde explosie. En dat voor 33 raptor motoren tegelijkertijd. De uitstoot levert kooldioxide (CO₂) en water (2H₂O) op. Dat moet je wel zo compact mogelijk vervoeren en dus niet in gasvorm, maar in de vorm van vloeibaar zuurstof (O₂) en methaan (CH₄). Die O₂ en CH₄ worden op de grond eerst vloeibaar gemaakt. Daarna wordt die enorm grote StarShip gevuld met O₂ en CH₄. Dat geldt zo ook voor de draagraket (Super Heavy) daaronder.

Vloeibaar O₂ moet tussen het smeltpunt en het kookpunt liggen. Onder de smelttemperatuur (-218 ^oC) is zuurstof een vast stof en dus onbruikbaar als brandstof. Boven het kookpunt (-189 ^oC) is het weer een gas en ook onbruikbaar als brandstof. Die bandbreedte is niet groot. Dat geldt zo ook voor het vloeibare CH₄ (-182 ^oC / -161½ ^oC). En dat allemaal bij een druk van 1 atmosfeer.

1850 liter vloeibaar zuurstof en methaan per seconde

Eind mei 2024 is de succesvolle test gedaan, vooruitlopend op de lancering begin juni, om StarShip en Super Heavy in 45 minuten te vullen met 5 miljoen kg vloeibaar zuurstof en methaan. Daarna liep het weer terug naar de tanks op de grond. Dat is zeer snel. De SLS van de NASA is kleiner maar vergelijkbaar. Daar duurt dit proces uren. Waarom deze test voor het snel vullen van de brandstofcompartimenten?

De brandstofcompartimenten zijn niet geïsoleerd

De wanden van StarShip en Super Heavy zijn niet geïsoleerd, wat die rode grote tank van de Space Shuttle b.v. wel was. Bij de Space Shuttle hadden ze zelfs besloten om die tank niet meer wit te verven om gewicht te besparen en dus brandstof, die ook op zich gewicht heeft. Dus het werkt dubbelop. Het voordeel is dus dat de raket minder weegt door al die ontbrekende isolatie, en dus heb je minder brandstof en dus kilo’s nodig om in de ruimte te komen.

Maar hierdoor warmen ook die koude vloeistoffen sneller op. Door die verdamping van de vloeistoffen neemt het volume en de druk toe van die de vloeistofcompartimenten. Dat mag niet te lang duren, want anders explodeert alles. Daardoor wordt het gas aan de zijkant van de raket afgevoerd (zie foto). Sneller laden zorgt ervoor dat de warmte er minder snel grip op krijgt.

Snel vullen en direkt lanceren

Vloeibaar O₂ moet tussen het smeltpunt en het kookpunt liggen. Onder de smelttemperatuur (-218 ^oC) is zuurstof een vaste stof. Boven het kookpunt (-189 ^oC) is het weer een gas. Die bandbreedte is niet groot. Dat geldt zo ook voor het vloeibare CH₄ (-182 ^oC/ -161½ ^oC). En dat allemaal bij een druk van 1 atmosfeer. De praktijk is dat het zo koud mogelijk moet zijn, want dan krimpt de vloeistof en heb je meer ‘oxidizer’ per volume-eenheid (= lees meer waar voor je geld).

De CH₄ mag niet kouder worden dan het smeltpunt (-182 ^oC), want dan wordt het een vaste stof en onbruikbaar. De top van het CH₄ vat ligt echter dicht bij de bodem van het O₂ vat dat onder het kookpunt (-189 ^oC) moet blijven. Ofwel de O₂ bevriest de CH₄ als het te lang duurt. Daardoor moet StarShip zo snel mogelijk de vaten vullen (45 minuten nu) maar ook binnen 5 minuten weg nadat de vaten gevuld zijn.

Robert de Jong