first principles

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

Case study: hoe goedkoop kan ruimtevaart worden?

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.

First-principles denken gaat uit van de bekende natuurwetten. Alles wat natuurkundig gezien mogelijk is, is mogelijk en haalbaar.

First principles-denken: de sleutel tot rijkdom

Sloppenwijken en villawijken bestaan uit dezelfde atomen. Het verschil is de manier waarop de atomen zijn gerangschikt. Als je uitgaat van first principles, leer je hoe armoede te veranderen is in rijkdom.

First-principles denken gaat uit van de bekende natuurwetten. Alles wat natuurkundig gezien mogelijk is, is mogelijk en haalbaar.
First-principles denken gaat uit van de bekende natuurwetten. Alles wat natuurkundig gezien mogelijk is, is mogelijk en haalbaar. Wormgaten zijn bijvoorbeeld mogelijk volgens de algemene relativiteitstheorie. Bron: Genty/Pixabay

First principles

De first-principles methode komt er op neer dat je teruggaat naar die dingen waarvan je absoluut zeker weet dat ze waar zijn, en vanaf dat punt verder redeneert of ontwerpt.

It’s physics, stupid

Sinds ongeveer een eeuw of twee weten we dat de wereld waarin we leven, beheerst wordt door onveranderlijke natuurwetten. Waar op aarde, of de rest van het bekende heelal we ook komen, er gelden dezelfde natuurkundige wetten. De natuurkundige wetten vormen de basis van alle andere natuurwetten. Als het Belgische of Nederlandse parlement een wet uitvaardigt dat het verboden is om te vallen, val je nog even hard. Kortom: als iets volgens de natuurkundige wetten kan, en je de rest in de hand hebt, kan het in alle gevallen. Deze natuurkundige wetten vormen hiermee de first principles.

Natuurkundige wetten zijn universeel, dus first principles ook

Als je een mep geeft tegen een tennisbal, vliegt deze bal vanaf de Ka’aba in Mekka even hard weg als in de Gouden Tempel van Amritsar. Of op Mars, wat dat betreft. Of Pluto. OK, skip dat laatste, want de bal (en racket) zullen vermoedelijk verpulveren bij de temperaturen vlak boven het absolute nulpunt.

Natuurwetten hebben als prettige bijkomstigheid dat techniek, die gebaseerd is op deze natuurwetten, overal blijft werken. Je horloge loopt op Gliese 674-b, de dichtstbijzijnde bekende exoplaneet, even snel als hier op aarde. Een baksteen die deel uitmaakt van de villa van filmster Leonardo di Caprio, gedraagt zich precies hetzelfde als een baksteen van hetzelfde type in een Mexicaanse krottenwijk.

Een tweede prettige bijkomstigheid is dat in principe alles mogelijk is dat volgens de natuurwetten toegestaan is. Wil je een mooie stikstofgeiser, model-Triton, in je achtertuin? Geen punt. Regel even een supergeleidende kabel, een privé-energiecentrale, een plek waar je de enorme hoeveelheid afvalwarmte kan dumpen en je bent de man. Of vrouw, alhoewel die vermoedelijk zinniger dingen bedenken.

Problemen terugbrengen tot natuurkunde

De natuurkundige beperkingen zijn streng, maar ruim. Zo is het niet mogelijk sneller te gaan dan het licht. Het is -in theorie- wel mogelijk, om de ruimtetijd waarin je je bevindt zo te vervormen dat je via een wormgat of in een warpbubble sneller dan de rechtstreekse route reist. Op andere terreinen zijn er minder problemen. Zo kan je in principe alles maken wat je maar wilt, door de juiste atomen bij elkaar te zoeken en aan elkaar te plakken. Als je maar voldoende vrije energie hebt, een ander belangrijk natuurkundig concept. En, die is er. Zonlicht. Wel ben je gebonden aan de materiaaleigenschappen, maar door atomen en verschijnselen als plasmonen, fononen en kwantumvelden creatief toe te passen, zijn er meestal kleine wonderen mogelijk.

“Onoplosbare” wereldproblemen door een natuurkundige bril, met first principles

Ieder probleem is in principe door het inzetten van de first principles methodiek op te lossen. Als voorbeeld, het wereldarmoedeprobleem.

Het wereldarmoedeprobleem is in drie stappen op te lossen. Ten eerste moet je er voor zorgen dat er heel veel vrije energie beschikbaar komt. Daar hebben we een goede techniek voor: zonnepanelen. Als we iedere wereldbewoner het West-Europese energieverbruik gunnen, dat wil zeggen: rond de 150 kilowattuur (500 MJ) per persoon per dag, hebben we rond de 50.000 Wp per persoon zonnepanelen nodig, bij de gemiddelde zonneschijn in de wereld (164 Wp per vierkante meter) dus 25 vierkante meter zonnepaneel of, anders uitgedrukt, 25 000 euro. Dit zal dalen als zonnepanelen efficiënter worden. Er zijn prototypes in labs die tot 60% efficiëntie halen, dat is drie maal die van nu. Dit zou de benodigde oppervlakte laten dalen tot acht a negen vierkante meter. Hier meer, in woestijngebieden en de tropen minder.

Ten tweede moet je iedere wereldbewoner voorzien van voldoende atomen van de juiste soort. De atomen die we het meeste gebruiken, zoals koolstof, zuurstof, waterstof, silicium en ijzer, zijn in werkelijk onvoorstelbare hoeveelheden aanwezig in de aardkorst, water en lucht. Kortom: als er voldoende energie is, is het verkrijgen van deze atomen triviaal.

Ten derde moeten de atomen op de juiste manier aan elkaar geplakt worden. Hiervoor moeten wij mensen processen ontwikkelen. Dit lukt al vrij aardig. Het enige wat we moeten doen is deze processen energiezuiniger maken, krachtiger maken en verspreiden over de hele wereld. En er voor zorgen dat de vrije energie, atomen en denkkracht waarover we nu beschikken, niet worden verkwist aan bijvoorbeeld oorlogen, patentstrijd en bureaucratie, maar doelmatig worden besteed aan zonnepanelen en innovatie.