ruimtevaart

De bekendste en meest grensverleggende visionair op dit moment is waarschijnlijk Elon Musk. Hij ontwricht hele bedrijfstakken met visionaire oplossingen door first principles te denken.  Een uitstekend voorbeeld is hoe Musk de ruimtevaart op zijn kop zette. Dit voorbeeld toont als geen ander de kracht van first principles denken.

Wat zijn de first principles van ruimtevaart?
Zoals trouwe lezers van Visionair heel goed weten is ruimtevaart peperduur. De kosten voor het lanceren van vracht met bijvoorbeeld de Ariane 5 van Arianespace, een van de goedkopere aanbieders, bedragen rond de 200 miljoen dollar voor tien ton vracht (dus rond de 20.000 dollar per kilogram). Hiermee drukte Arianespace de nog duurdere Amerikaanse raketten uit de markt.

De ultieme droom van Musk is de mensheid naar de ruimte brengen. Dat lukt uiteraard niet, als een enkele reis naar een Lagrangepunt iemand alleen qua lanceerkosten al meer dan  een miljoen kost. Musk, met een technisch natuurkundige achtergrond, keek dus naar de first principles van ruimtevaart.

Het fundamentele probleem met ruimtevaart is dat de aarde een zwaartekrachtsput vormt, zonder ladder om er uit te klimmen. Het kost per kilogram massa 1/2 * (11200)² = 62,72 megajoule energie, m.a.w. 17,4 kWh, bij de Nederlandse een Belgische elektriciteitsprijzen rond de vier euro aan elektriciteit om dit te overbruggen. Dit is een fundamentele limiet: de wet van behoud van energie. Welk pad je ook kiest vanaf het aardoppervlak tot een punt met nul zwaartekracht en de maximale zwaartekrachtspotentieel vanaf de aarde, je zal altijd minimaal deze hoeveelheid energie moeten spenderen. (Uiteraard kan je gebruik maken van de rotatie van de aarde om de beginsnelheid iets te vergroten, de reden dat ruimtebases als Kourou, Frans Guyana, zich vaak dicht bij de evenaar bevinden).

Er zijn enkele fundamentele manieren om aan deze put te ontsnappen. Of heel hard schieten, of een raket, of een ladder, zoals een space elevator, bouwen. Verder, in theorie: je afzetten tegen het aardmagnetisch veld of door middel van de stralingsdruk van zonlicht, met een lichtzeil ontsnappen (wat kabels van tienduizenden kilometers zou vereisen). Of, onbewezen, een wormtunnel bouwen. Al deze manieren, en andere, toekomstige manieren, moeten rekening houden met de genoemde fundamentele limiet van 62,72 MJ per kg die uit first principles volgt.

Heel hard schieten kan met behulp van een reuzenkanon, maar dit zou zonder bijzondere maatregelen nuttige lading opbranden in de atmosfeer en  verpulveren. Een ruimtelift bouwen kan alleen van exotische materialen zoals koolstofnanovezels. Die kosten duizenden dollars per gram en dat was duidelijk buiten het budget van Musk. De experimentele genoemde methoden zijn nog nooit geprobeerd. Blijft over: een raket op een slimmere manier bouwen. En dat deed Musk. Hij keek naar een standaard raket, in dit voorbeeld de Ariane V ES, en maakte een bierviltjesberekening. Hoeveel zou het kosten om deze raket na te bouwen, als je alleen naar grondstofprijzen keek?

Boodschappenlijst Ariane V ES
(bron: Ariane 5 User Manual,  Rocket Motor Components, Index Mundi, Carbon Composites, MadeInChina.com, Quora, Alibaba, Zauba)

Aluminium: 22 ton, € 1800 per ton: € 40 000

Carbon fiber reinforced polymeer: plm. 1 ton, € 80 000 per ton: € 80 000

Staal (voor de boosterraketten): 2 x 38 ton = 76  ton, € 800 per ton: € 70 000

Brandstof:
– Boosters: 240 ton * 2 = 480 ton, bestaande uit:
68% ammonium perchloraat * 480 t * € 4 000 per ton : € 1,3 miljoen
18% aluminiumpoeder * 480 t * € 1800 per ton : € 155 000
14% polybutadieen * 480 t * € 1500 per ton: € 101 000

Core stage: 170 t vloeibare waterstof en zuurstof
waarvan 18 t waterstof @ € 4000 per ton = € 72 000
152 t zuurstof @ € 160 per ton = € 27 200

Second stage: 10 ton mengsel hydrazine/monomethylhydrazine
Hydrazine: plm € 2000/ton * 67% * 10 t = € 14 000
Monomethylhydrazine: plm € 10 000/ton * 33% * 10 t = € 33 000.

De materiaalkosten exclusief de brandstof  van de main booster zijn laag: rond de 350 000 euro.
Wat de lancering qua materiaalkosten duur maakt zijn de kosten voor  ammonium perchloraat. Deze liggen rond de 1,3 miljoen euro.
De overige materiaalkosten voor de main booster zijn eveneens laag: rond de 250 000 euro.
Deze versimpelde berekening laat zien dat een lancering qua materiaalkosten mogelijk is voor 2 miljoen euro per raket. Als je het perchloraat vervangt door een goedkopere brandstof, kan dit bedrag zelfs gehalveerd worden. Op het moment dat Musk met Space X begon, lagen de lanceerkosten op rond de 200 miljoen euro per lancering. 100x zoveel dus.

Winst van duizenden procenten

Musk wist op grond van deze berekening dat hij op goud zat. Zelfs als er exorbitant veel kosten worden gemaakt bij de fabricage, zou hij toch nog voor een scherp tarief lanceringen aan kunnen bieden. Om zoveel mogelijk tegenslag te voorkomen en kosten te besparen hield hij de fabricage van onderdelen voor de Space X Falcon 9 raketten binnenshuis, of gebruikte goede standaardonderdelen van gunstig bekend staande fabrikanten. Hij verving de dure cryogene brandstoffen en perchloraat door goedkope huis- tuin- en keukenbrandstof: kerosine, met uiteraard vloeibare zuurstof voor de verbranding.
Musk slaagde er in om lanceringen voor 50 tot 60 miljoen dollar aan te bieden. Een kwart van de prijzen van Arianespace. Noodgedwongen verlaagde ook Arianespace de prijzen. Het nieuwe model Ariane 6 moet marktaandeel terugwinnen.

De Space X Falcon Heavy, de raket waarmee Musk de mensheid naar Mars wil brengen, kan 20 ton lanceren in een geostationaire baan, of, belangrijker voor Musk, 13 ton richting Mars. Dat is twee keer zoveel als de Ariane 5. Ook in de Falcon Heavy ontbreekt het peperdure ammoniumperchloraat geheel. De eerste lancering van deze raket wordt pas in 2017 verwacht.

Musk is goed op weg om zijn droom van ruimtekolonisatie waar te maken. Dit dankzij first principles denken. Ook elders kan er enorme vooruitgang worden geboekt, als deze denkmethodiek wordt gevolgd.