Moet de ruimtevaart groener?

Terwijl jij korter doucht of in een elektrische auto stapt, worden er aan de lopende band satellieten en ruimtevaartuigen gelanceerd. Hoe kwalijk is dat eigenlijk voor ons klimaat?

Het klimaatprobleem. Tegenwoordig gespreksonderwerp nummer 1. Iedereen weet er wel vanaf en laten we zeggen dat bijna iedereen weet dat er iets aan gedaan moet worden. Satellietwaarnemingen vanuit de ruimte zijn belangrijk om ons klimaat op aarde in de gaten te houden. Ironisch is het dan dat er weinig rekening gehouden wordt met de restproducten afkomstig van raketten, die deze satellieten in een baan rond de aarde brengen. Wordt de ruimtevaart op het gebied van klimaatverandering onterecht over het hoofd gezien?

Wat er bij een lancering komt kijken
Voordat we dieper ingaan op de impact van een raketlancering, zullen we eerst iets beter moeten begrijpen wat er gebeurt bij de lancering van een raket. Er zijn twee soorten brandstof: vloeibaar en vast. Daarnaast is er een oxidator nodig om de verbranding van de brandstof op gang te houden. Hier op aarde is dat simpel, aangezien er altijd zuurstof aanwezig is als oxidator. Buiten onze aardse atmosfeer is dit lastiger en moet een raket ook een oxidatiemiddel meenemen.

Vaste en vloeibare brandstof
Bij het gebruik van een vaste brandstof worden het oxidatiemiddel en de brandbare stof samen een stuwstof genoemd en deze worden samengeperst. Hiervoor worden bijvoorbeeld ammoniumperchloraat (NH₄ClO₄) en aluminium (Al) gebruikt. Er is hiervoor een hoofdbinder nodig en daarvoor wordt bijvoorbeeld hydroxyl-eindstandig polybutadieen (HTPB) gekozen. Het nadeel van een vaste brandstof is dat als deze eenmaal ontstoken wordt, de ontbranding net als een vallende rij dominostenen niet meer tegen te houden is. Een raket bestaat dan ook uit meerdere trappen of maakt gebruik van aanjaagraketten, welke afgestoten kunnen worden als de brandstof op is. In het geval van een vloeibare brandstof worden vaak kerosine, vloeibaar waterstof (LH₂) of (varianten van) hydrazine (N₂H₄) gebruikt. Het oxidatiemiddel is dan meestal vloeibaar zuurstof (LO_x) of distikstoftetraoxide (N₂O₄). In dit geval zijn de brandstof en oxidator gescheiden en worden pas samen gebracht in de verbrandingskamer. Deze vorm van brandstof kan wel gestopt worden en is dus meer geschikt voor de bemande raketten.

Restproducten
De restproducten afkomstig van de verschillende typen brandstof kunnen sterk verschillen. Bij vloeibare brandstof ontstaat LH₂ en zuurstof (O₂), welke in de aardatmosfeer kunnen reageren tot waterdamp (H₂O) en stikstofmonoxide (NO). Vaste brandstof op basis van bijvoorbeeld aluminium/ammoniumperchloraat (Al/NH₄ClO₄) kan reageren tot waterstofchloride (HCl) en alumina (Al₂O₃). Raketten werkend op N₂H₄ en N₂O₄ kunnen grote hoeveelheden stikstofoxiden achterlaten, die weer reageren met waterdamp en sulfaat en zo in de atmosfeer kleine deeltjes waterstofnitraat (HNO₃) achterlaten. Verder kan kerosine, ook vaak gebruikt voor vliegtuigen, koolstofdioxide (CO₂) en roetdeeltjes produceren. Uiteraard zijn er nog een hoop andere brandstoffen die gebruikt kunnen worden, maar de belangrijkste restproducten zijn over het algemeen hetzelfde.

Stralingsforcering
In de klimaatwetenschappen maakt men gebruik van de term stralingsforcering om uit te drukken wat het verschil is tussen inkomende en uitgaande energie van respectievelijk de zon en straling van de aarde. Om de stralingsforcering te bepalen zijn het gedrag, invloed en de samenstelling van broeikasgassen in de aardatmosfeer belangrijk.
Nu we weten wat voor restproducten raketlanceringen produceren, is het interessant om te kijken wat voor invloed deze hebben op ons klimaat. De moleculen met de grootste directe invloed op de stralingsforcering zijn H₂O, CO₂, roetdeeltjes en alumina. Deze restproducten vormen samen ongeveer 80% van de 40 kiloton brandstof die jaarlijks de aardatmosfeer ingestuurd wordt.
– H₂O heeft een minimale bijdrage aan de opwarming van de aarde. Alleen wanneer de temperatuur laag is, kan waterdamp van raketten voor ijskristallen zorgen in de mesosfeer. Dit kan resulteren in dunne mesosferische wolken. De invloed op de opwarming van de aarde is hiervan erg klein.
– Van CO₂ weten we dat dit een grote bijdrage heeft op het broeikaseffect. In het geval van raketten, is het belangrijk om te weten dat de CO₂-uitstoot door raketten exact dezelfde invloed heeft als de uitstoot van CO₂ vanaf het aardoppervlak, doordat de emissies van CO₂ van beide bronnen dezelfde tijd in de atmosfeer doorbrengen. Momenteel is de bijdrage aan CO₂ door raketten verwaarloosbaar klein. Ook naarmate er frequenter raketten de ruimte ingestuurd worden, zal de bijdrage nooit resulteren in een grote verandering van de stralingsforcering.
– Roet wordt door ons waargenomen als een zwarte substantie. Dit maakt ons gelijk duidelijk dat roetdeeltjes erg goed zijn in het absorberen van zichtbaar zonlicht. In de troposfeer, het gebied waar onder andere vliegtuigen vliegen, kunnen roetdeeltjes worden weggespoeld door regen of door droge afzetting (verlies van materiaal aan het aardoppervlak). Dit is een ander verhaal voor deeltjes die terechtkomen in de stratosfeer. Hier zouden roetdeeltjes enkele jaren kunnen blijven zitten. Roet kan hier dan in de loop van de tijd een wolk vormen en naarmate deze wolk groeit, kan de aarde steeds moeilijker zijn warmte kwijt.
– Dan hebben we nog alumina. Hierover is minder bekend, omdat de bijdrage van alumina complexer is dan de voorgaande restproducten. Al weet men wel dat het idee dat aluminadeeltjes alleen voor verkoeling zorgen door energie afkomstig van de zon terug de ruimte in te sturen, niet helemaal waar is. Het is nu namelijk ook bekend dat er een flinke bijdrage aan de opwarming van de aarde is, doordat aluminadeeltjes aardse straling terug reflecteert naar het aardoppervlak. Deze opwarmende bijdrage is groter dan de verkoelende.
In getallen uitgedrukt laat een studie naar de invloed van raketlanceringen door stralingsforcering zien dat de relatieve bijdragen door H₂O, roet en alumina respectievelijk 2%, 70% en 28% zijn. CO₂ valt hier buiten beschouwing, omdat de bijdrage hiervan verwaarloosbaar is ten opzichte van andere bronnen van CO₂.

Ozon
Andere restproducten hebben geen directe invloed op de stralingsforcering, maar kunnen wel een indirecte invloed hebben. Dit doen ze door de concentratie ozon (O₃) in de stratosfeer te veranderen. Ozon is erg belangrijk voor de bescherming van de aarde tegen schadelijke deeltjes vanuit de ruimte. Met name deeltjes afkomstig van de zon. Ook zorgt de ozonlaag ervoor dat het temperatuurprofiel van onze aardatmosfeer, de concentratie zuurstof optimaal houdt voor hedendaags leven. De emissie van HCl, afkomstig van vaste brandstoffen, zorgen voor een directe reactie met ozon en creëren daarbij chlorideoxide (ClO). Een ClO-molecuul kan dan reageren met een ander ClO-molecuul en na enkele opvolgende reacties krijg je uiteindelijk een reactie waarbij meer ozon verloren gaat. Gemiddeld gaan er 5 tot 10 ozonmoleculen verloren door elk chlooratoom. Aluminamoleculen van vaste brandstoffen versterken de vernietiging van ozon, door het herstelproces te verhinderen. Ook NO_x-moleculen kunnen zorgen voor een verlies van ozon door middel van een stikstofmechanisme. Dit mechanisme is echter van hele korte duur en zodra een raket de ozonlaag in de stratosfeer bereikt, zijn de reacties al grotendeels uitgewerkt. In het algemeen is het ozon-vernietigende effect, van zowel vaste als vloeibare brandstoffen, op dit moment niet heel effectief. Dit komt omdat in enkele weken het deel waar ozon vernietigd is, in staat is zich te herstellen door de toevoer van ozonrijke lucht. Momenteel wordt slechts 0,1% van de stratosferische ozon vernietigd door raketlanceringen.

Frequentere lanceringen
Zojuist zagen we dat H₂O en NO_x op dit moment de geprefereerde restproducten van raketmotoren zijn. Daarvoor kunnen H2-brandstoffen worden gebruikt. Een studie uit 2016 heeft simulaties gedaan van het gebruik van het Skylon ruimtevliegtuig (werkend op H₂) met vluchtfrequenties tussen de 104 en 106 per jaar. Hierbij bekeek men hoe groot de invloed hiervan op ons klimaat zal zijn. Uit dit onderzoek komt dat bij meer dan 105 vluchten per jaar er een sterke afname van O₃ optreedt, waarvan 75% door NO_x emissies. Deze afname is ongeveer gelijk aan 10% van de piek van de ozonafname die we in 1990 hadden. Bij 106 vluchten is de afname van ozon zelfs een orde van grootte meer in vergelijking tot 105 vluchten. Andere klimaatinvloeden zijn daarentegen verwaarloosbaar. Dit laat zien dat het gebruik van H₂ voor de ozon niet ideaal is en we zeker moeten kijken of er nog alternatieven zijn. Dit soort simulaties zijn inzichtelijk, maar het is moeilijk te voorspellen hoe de toekomst van de ruimtevaart er daadwerkelijk uit gaat zien en welke brandstoffen we tegen die tijd gebruiken.

Groene brandstof
Een voorbeeld van een ‘groenere’ brandstof is hydroxylammoniumnitraat (NH₃OHNO₃) vloeistof/oxidator mix. Dit is een ionische vloeistof, ofwel een gesmolten zoutverbinding, waarbij de moleculen een positieve of negatieve lading hebben, zodat de verbindingen de vloeistof meer stabiel maken. Tijdens de verbranding komen H₂O, CO₂ en H₂ vrij. Hiervan zagen we zojuist dat de impact op de stralingsforcering niet heel groot was. Verder wordt gedacht dat de brandstof, vergeleken met hydrazine, een 50% betere prestatie levert. Ook is de dichtheid 45% groter vergeleken met hydrazine, waardoor er meer vloeistof mee kan worden genomen. Verder ligt het vriespunt van NH₃OHNO₃ laag, waardoor een ruimtevaartuig minder vermogen nodig zal hebben om de gewenste temperatuur te behouden. Bovengenoemde eigenschappen zorgen er voor dat we kunnen zeggen dat deze brandstof zal zorgen dat raketten/ruimtevaartuigen goedkoper, groener, sneller en veiliger zullen zijn. NH₃OHNO₃ zal getest worden in April 2018, als NASA’s ‘Green Propellant Infusion Mission’ (GPIM) gelanceerd wordt aan boord van de SpaceX Falcon Heavy. Tegen die tijd weten we meer over de toekomst van deze brandstof.

Conclusie
De invloed van raketlanceringen op het broeikaseffect is slechts 0,01% van de totale bijdrage van de luchtvaart. Het probleem is echter dat raketten, in tegenstelling tot vliegtuigen, verder komen dan de troposfeer en in hogere atmosfeerlagen kunnen vervuilen. Door hergebruik van rakettrappen, het goedkoper/efficiënter worden van brandstoffen en de plannen op het gebied van ruimtetoerisme en de kolonisatie van ons zonnestelsel, zullen lanceringen steeds frequenter worden. Daarom moeten we steeds meer rekening gaan houden met de invloed van de ruimtevaart op het broeikaseffect en de ozonlaag. Er moet gezegd worden dat het onderzoek naar de verschillende soorten brandstoffen en frequentere lanceringen en hun invloeden nog vrij gering is. Laten we hopen dat er meer metingen in hogere atmosfeerlagen en meer onderzoek zal worden gedaan, zodat we op tijd weten hoe we kunnen zorgen voor een groene ruimtevaart. Wie weet zal dit artikel dan ook nog een vervolg krijgen.

Jurjen de Jong (1993) is masterstudent Space Studies aan de KU Leuven. Daarvoor heeft hij een propedeuse werktuigbouwkunde in Breda, een bachelor wiskunde en een bachelor natuurkunde in Utrecht behaald en afgelopen juli een master in de wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Later hoopt hij een baan in de ruimtevaartsector te krijgen.