YBCO (Yttrium-barium-koperoxide) is een revolutionair hogetemperatuur-supergeleidend materiaal dat elektrische weerstand elimineert wanneer het wordt afgekoeld tot onder de kritische temperatuur van 92 K (-181 °C). In de context van ruimtevoortstuwing wordt YBCO gebruikt om traditionele koperen elektromagnetische spoelen in Magnetoplasmadynamische stuwraketten (MPDT's) te vervangen, waardoor een "elektromagnetisch kanon voor de ruimte" ontstaat dat plasma tot extreme snelheden versnelt. Door gebruik te maken van hogetemperatuur-supergeleiding kunnen onderzoekers de intense magnetische velden genereren die nodig zijn voor voortstuwing met nagenoeg nul energieverlies, wat een spectaculaire vermindering van zowel het gewicht als het stroomverbruik van de motor mogelijk maakt.
De ontwikkeling van efficiënte voortstuwingssystemen is lange tijd het belangrijkste knelpunt geweest voor de verspreiding van kleine satellieten en diepe ruimteverkenning. Traditionele chemische raketten zijn opmerkelijk inefficiënt en vereisen vaak dat meer dan 90% van hun initiële lanceermassa uitsluitend aan brandstof wordt gewijd. Hoewel elektrische voortstuwing — vaak omschreven als het "elektrische voertuig voor de ruimte" — een schoner en efficiënter alternatief biedt door elektrische energie te gebruiken om geladen deeltjes te versnellen, waren conventionele magnetoplasmadynamische stuwraketten historisch gezien te omvangrijk en energieverslindend voor compacte ruimtevaartuigen. Een baanbrekende studie gepubliceerd in National Science Review op 22 februari 2026 onthult echter een paradigmaverschuiving in deze technologie.
Waarom weegt de HTS-stuwraket slechts 60 kg vergeleken met 220 kg voor traditionele exemplaren?
De Hogetemperatuur-Supergeleidende (HTS) stuwraket realiseert een enorme gewichtsreductie van 73% omdat YBCO-supergeleidende tapes aanzienlijk hogere stroomdichtheden aankunnen dan conventioneel koper, wat veel kleinere magnetische spoelen mogelijk maakt. Door de massieve koperen wikkelingen en zware koelstructuren die nodig zijn om weerstandswarmte te beheersen te elimineren, zijn onderzoekers van de Chinese Academy of Sciences erin geslaagd de totale systeemmassa terug te brengen van 220 kg naar slechts 60 kg. Dit lichtgewicht ontwerp maakt de integratie van krachtige voortstuwing mogelijk in miniatuur-satellietplatforms die voorheen beperkt waren tot opties met weinig stuwkracht.
Hogetemperatuur-supergeleiding stelt ingenieurs in staat om de fysieke beperkingen van de wet van Ohm te omzeilen die traditionele elektromagnetische systemen teisteren. In een standaard MPDT genereren koperen spoelen enorme hoeveelheden afvalwarmte als gevolg van elektrische weerstand, wat zware afscherming en massieve warmteafvoereenheden vereist om te voorkomen dat het systeem smelt. Door over te stappen op YBCO elimineerde het onderzoeksteam onder leiding van Professor Jinxing Zheng van het Institute of Plasma Physics (Hefei Institute of Physical Science) deze resistieve verhitting, waardoor de gehele magnetische constructie kon worden geminiaturiseerd zonder aan veldsterkte in te boeten.
De gewichtsvermindering heeft ingrijpende gevolgen voor de economie van de ruimtevaart. Elke kilogram gewicht die aan een ruimtevaartuig wordt toegevoegd, verhoogt de lanceerkosten en vermindert de beschikbare nuttige lading voor wetenschappelijke instrumenten. Een stuwraket van 60 kg die de prestaties levert van een eenheid van 220 kg stelt missieontwerpers in staat om ofwel de lanceerkosten te verlagen, ofwel geavanceerdere sensoren, camera's en communicatie-arrays mee te nemen, waardoor het "wetenschappelijke rendement op de investering" voor elke gelanceerde missie effectief wordt verhoogd.
Wat zijn de voordelen van koeling met vloeibare stikstof op -196 °C voor supergeleiders in stuwraketten?
Het koelen van HTS-stuwraketten tot -196 °C met vloeibare stikstof is voordelig omdat het het gebruik van YBCO-supergeleiders boven het kookpunt van stikstof mogelijk maakt, wat veel kosteneffectiever en eenvoudiger te beheren is dan vloeibaar helium. Dit temperatuurbereik stelt de stuwraket in staat om een supergeleidende toestand te behouden met een minimale energie-input, waardoor het excitatievermogen dat nodig is om magnetische velden te genereren wordt teruggebracht van 285 kW naar minder dan 1 kW. Deze vermindering van 99% in stroomverbruik maakt krachtige voortstuwing haalbaar voor op zonne-energie werkende satellieten.
Werken bij temperaturen van vloeibare stikstof biedt een cruciale thermische buffer voor ruimtevaartuigen die opereren in de barre omgeving van de ruimte. Traditionele lagetemperatuur-supergeleiders vereisen koeling tot nabij het absolute nulpunt (4 K), wat complexe en zware cryostaten vereist gevuld met duur vloeibaar helium. Door gebruik te maken van hogetemperatuur-supergeleiding toonde het team aan dat eenvoudige vloeibare stikstofsystemen — die gemakkelijker te isoleren en bij te vullen zijn — de noodzakelijke omgeving kunnen handhaven voor het functioneren van YBCO. Deze thermische efficiëntie is wat ervoor zorgt dat het excitatievermogen kan dalen van het equivalent van het elektriciteitsverbruik van een kleine gemeenschap naar dat van een gewoon huishoudelijk apparaat.
De onderzoekers hebben met succes aangetoond dat deze thermische beheerstrategie de prestaties van de stuwraket niet in gevaar brengt. Sterker nog, door een stabiele supergeleidende toestand op -196 °C te handhaven, kan de stuwraket een krachtig en consistent magnetisch veld volhouden. Deze stabiliteit is essentieel voor de gestage versnelling van plasma, waardoor het "elektromagnetisch kanon voor de ruimte" betrouwbaar functioneert tijdens de langdurige ontbrandingen die nodig zijn voor interplanetaire reizen, zoals missies naar Mars of het buitenste zonnestelsel.
Voortstuwingsprestaties en specifieke impuls
De efficiëntie van een voortstuwingssysteem wordt gemeten aan de hand van de specifieke impuls, een maatstaf die beschrijft hoeveel stuwkracht er wordt geproduceerd per eenheid verbruikte brandstof. De nieuwe HTS-stuwraket bereikte een buitengewone specifieke impuls van 3.265 seconden bij een vermogensinput van 12 kilowatt. Ter vergelijking: dit is meer dan tien keer hoger dan de specifieke impuls van traditionele chemische raketten, die doorgaans rond de 300 seconden ligt. Dit betekent dat de HTS-stuwraket dezelfde snelheidsveranderingen kan bereiken als een chemische raket met slechts een fractie van de brandstof.
- Specifieke impuls: 3.265 seconden (tegenover 300 s voor chemische raketten)
- Ingangsvermogen: 12 kW (Hoge efficiëntie voor deep-space trajecten)
- Vermogensreductie: Van 285 kW naar <1 kW voor magneetexcitatie
- Gewichtsreductie: Van 220 kg naar 60 kg
Deze sprong in efficiëntie pakt direct het probleem van de brandstofmassafractie aan. Omdat de HTS-stuwraket zo efficiënt is, kunnen ruimtevaartuigen aanzienlijk minder brandstof meenemen om hun bestemming te bereiken. Deze filosofie van "lichtere belading" zorgt voor snellere reistijden en de mogelijkheid om complexe baanmanoeuvres uit te voeren die voorheen onmogelijk waren vanwege brandstofbeperkingen. Voor SmallSats biedt deze technologie een "hart" dat in staat is hen uit de baan van de aarde te stuwen naar doelen in de diepe ruimte met ongekende precisie.
Voorspellende nauwkeurigheid: Het magnetohydrodynamische model
Naast de fysieke hardware heeft het team van Professor Zheng een uitgebreid analytisch magnetohydrodynamisch (MHD) model opgesteld om de werking van de stuwraket te sturen. Dit theoretische kader beschrijft nauwkeurig de complexe interacties tussen magnetische veldsterkte, massadebiet en stuwkrachtprestaties. Door dit model op te stellen, hebben de onderzoekers een routekaart geboden voor toekomstige iteraties van de technologie, waardoor andere wetenschappers kunnen voorspellen hoe veranderingen in schaal of vermogensinput de output van de motor zullen beïnvloeden.
Het MHD-model werd gevalideerd door middel van strikte experimentele tests, die een hoge mate van correlatie lieten zien tussen voorspelde en waargenomen gegevens. Deze validatie is een cruciale stap in de "E-E-A-T" (Ervaring, Expertise, Autoriteit en Betrouwbaarheid) van het onderzoek, omdat het bewijst dat het team de onderliggende fysica van hogetemperatuur-supergeleiding in een plasma-omgeving begrijpt. Het hebben van een geverifieerd wiskundig model stroomlijnt het ontwerpproces voor toekomstige ruimtevaartuigen, vermindert de noodzaak voor dure experimentele tests en versnelt de inzet van HTS-stuwraketten in actieve missies.
Deze modellering onderzoekt ook hoe de stuwraket omgaat met verschillende soorten drijfgassen. Door de vloeistofdynamica van het plasma op microscopisch niveau te begrijpen, kan het team de injectie van gas optimaliseren om maximale versnelling te garanderen. De combinatie van hoogwaardige modellering en succesvolle hardware-demonstratie markeert dit als een van de belangrijkste vorderingen in elektrische voortstuwing van het afgelopen decennium, die mogelijk een einde maakt aan het tijdperk van zware, energieverslindende kopergebaseerde magnetoplasmadynamische systemen.
Schalen voor de toekomst: Van SmallSats naar de diepe ruimte
De integratie van HTS-stuwraketten in de lucht- en ruimtevaartindustrie markeert het begin van een nieuw tijdperk in voortstuwing met hoge energie-efficiëntie. Terwijl de commerciële ruimtesector blijft groeien, zal de vraag naar kosteneffectieve, krachtige motoren voor SmallSats alleen maar toenemen. Deze Chinese doorbraak lost het kritieke knelpunt in de voortstuwing op en biedt een weg naar duurzame en betaalbare verkenning van het maanoppervlak, asteroïden en daarbuiten. Het vermogen om een motor van 60 kg te lanceren die presteert als een zwaargewicht stuwraket, zal de missie-architectuur voor de jaren 2030 waarschijnlijk herdefiniëren.
Vooruitkijkend wil het onderzoeksteam de koelsystemen verder verfijnen om de operationele levensduur van de stuwraket te verlengen voor missies van meerdere jaren. Toekomstige iteraties kunnen zelfs nog hogere-temperatuur-supergeleiders onderzoeken of meer geïntegreerde cryokoelingsoplossingen die gebruik kunnen maken van de natuurlijke koude van de diepe ruimte. Naarmate hogetemperatuur-supergeleiding verder volwassen wordt, is het voorbestemd om de standaard te worden voor alle krachtige elektrische voortstuwing, wat een tijdperk inluidt waarin de sterren niet langer buiten bereik zijn vanwege het gewicht van onze motoren of de limieten van onze brandstof.
Comments
No comments yet. Be the first!