Case study: hoe goedkoop kan ruimtevaart worden?

Share Button

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 ComponentsIndex MundiCarbon 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

De SpaceX Falcon 9 is met zijn lage prijs per lancering de grote schrik van de concurrentie.

De SpaceX Falcon 9 is met zijn lage prijs per lancering de grote schrik van de concurrentie.

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.

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

14 reacties

  1. bemoeier schreef:

    Heleboel laserkanonnen bijelkaar op de grond zetten naar boven gericht.
    En dan een vliegende schotel er boven leggen op palen.
    En dan met de stralingsdruk van de lasers die schotel de ruimte in duwen.
    Dan hoeft die maar weinig brandstof mee te nemen.

  2. Germen schreef:

    De stralingsdruk van licht is maar klein. De stralingskracht van zonlicht op een vierkante kilometer (1,5 gigawatt aan vermogen, dat staat gelijk aan een erg grote centrale) is maar 9,8 newton, net genoeg om één kilogram te laten zweven. Omeen ruimtevaartuig van 1000 kg te lanceren, is 1,5 TW nodig. Om je een indruk te geven hoeveel dat is: ongeveer tien procent van alle energiegebruik van de mensheid. https://en.wikipedia.org/wiki/Radiation_pressure#Solar_radiation_pressure

  3. jan schreef:

    dan nog los van de vraag of “we” wel welkom zijn in outer space.

  4. antares schreef:

    Het succes dat Elon Musk en dus SpaceX boeken met dit duidelijk scorende strategie beleid, neemt niet iedereen hun in dank af denk ik. Persoonlijk heb ik daarom het vermoeden dat er sabotage is gepleegd op 1 september. Hoe dit gedaan kan zijn heb ik o.a. in een commentaar op Space. com vastgelegd. Hier mijn commentaar, waarin ik ook aangeef dat dit geen bewijs is uiteraard, het zijn slechts vermoedens:

    This rocket was brand new. If there was any different technical modification in the standard technical procedure; meaning concerning the safety while filling the oxygen tank in any new way, normally they should have found this already. This because it will be written in the procedure and carefully investigated. Now, concerning es specially the harm to be grounded for a long time if the cause can not be found: I’m suggesting SpaceX to install high speed HD infrared camera’s around the launchpad. Because, if there was any static electrical spark in the extremely flammable gas mixture around the oxygen tank, that spark should be visible in infrared, just before the explosion took place. Explanation: There where clouds in the sky above the rocket during the filling process. Also to be mentioned some objects that where naturally assumed flying birds. Those birds where vaguely visible to the eye and the camera’s. Now, let us not talking ridicules about UFOs; but a small drone, equipped with a ultraviolet laser, pointed to the upper body section of the rocket, can cause static electrical discharges. Ultra violet radiation is a ionizing radiation. Using that, u can trigger lightning from thunderclouds to follow the pad of the laser. Not saying this is what happened, but just considering the possibility. Something else to consider, is that you don’t need a thundercloud to trigger a spark, because most normal clouds are charged to. Anyway, that could very well explain the sound before the big explosion took place.

    Ik kwam het gebruik van ultraviolet lasers jaren geleden tegen in een aflevering, waarschijnlijk van Storm Chasers. In dat programma liet men o.a. zien hoe elektrische ladingen in onweerswolken, d.m.v. raketten die op hun beurt gekoppeld waren aan metalen draden, bliksem ontladingen op het koppelpunt (lanceerpunt) van de draden triggerde. Een ander methode die werd voorgesteld en beschreven, was het gebruik van de ioniserende eigenschappen van ultraviolet licht, in ultraviolet lasers. Bliksem ontladingen volgden de bundel ioniserende straling vanaf het gebied in de wolken waar de lading zich verzameld, tot de overslag weerstand overwonnen wordt en ontlading plaats vindt. Een raket met metalen draad heeft altijd één echt opvallende beperking ten opzichte van het gebruik van de laser methode, de draad heeft een maximale axiradius i.v.m. de lengte van de draad. Laser bundels bestrijken niet alleen een veel groter gebied, maar koppelen ook gebieden binnen de onweerswolken die onder normale omstandigheden geen, of slechts een lage overslag capaciteit hebben.

    Ik ken die methode en heb mij daar destijds ook mee bezig gehouden, omdat het aantrekken van bliksem toen nog interessant leek als alternative energie bron. Jaren later begreep ik waarom dat deze methode van ontladingen aantrekken, behoorlijk vervelende nadelen had voor verzekerings maatschappijen. Het moedwillig aantrekken van bliksem op gebouwen is extreem moeilijk te bewijzen, laser bundels laten geen enkel spoor achter…..

    Met het tot de oorzaak van dit gebeuren gevonden is, aan de grond houden van SpaceX, kunnen anderen hun groot lucratieve voordeel doen uiteraard. Dit geldt natuurlijk helemaal als vaststaat dat de oorzaak blijvend onbekend, dus niet gevonden kan worden, zou je denken. Een dergelijk probleem trekt vermoedelijk investeerders aan, die je zeker niet krijgt zolang de mogelijkheid aanwezig is om sneller winst te maken bij Spacex. Daarnaast viel het uitzonderlijke publicitaire voordeel van dit gebeuren mij op. Stel je voor, een kostbare Face Book satellite van de oprichter himself opgebrand, dat is toch werkelijk een om van te snoepen qua negatieve reclame…….

  5. Aladin schreef:

    Vergeet de ‘ruimte’. Er is nog nooit een raket of iets anders de ruimte in gegaan. NASA en andere organisaties hebben alles gefilmd in een studio, zwembad of voor een green-screen. ISS is niet echt, satellieten bestaan niet.
    Onderzoek: NASA, maanlanding hoax op YouTube.

  6. Aladin schreef:

    Hoe goedkoop kan ruimtevaart worden?
    Door die onzin te stoppen…erg voordelig dus.

    NASA’s FY 2011 budget of $18.4 billion
    Stel je eens voor wat voor nuttigs je daar allemaal mee kunt doen!

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger