Hoppa till huvudinnehåll

Jätteraketen Starship ska föra oss till månen och Mars - drivs med naturgas

SpaceX tunga raket Starship stiger mot himlen.
En dag kanske raketen Starship tar sitt bränsle direkt ur luften. SpaceX tunga raket Starship stiger mot himlen. Bild: SpaceX SpaceX

Den här artikeln handlar om världens största och starkaste rymdraket. Men det handlar också om de kanske lite oväntade följderna av att bygga den raketen. Medan vi bygger den lär vi oss kanske att rädda klimatet. Och därmed också oss själva.

En raket handlar om så mycket annat än enorma metallcylindrar som reser sig mot himlen, och eldsprutande motorer. Det är bara början. Den absolut största delen av en startklar raket är nämligen bränsle.

Den enorma Saturn V-raketen som Neil Armstrong flög med, klarade av att lyfta 47 ton nyttolast till månen. För att lyfta 47 ton till månen krävdes en raket som vägde mer än 3 000 ton, fulltankad och startklar. Det motsvarar 400 fullvuxna elefanter.

Och av den här vikten var alltså mer än 90 procent bränsle.

Del av en gammal Saturn V-raket under transport.
För att lyfta 47 ton till månen krävdes en raket som vägde 3 000 ton. Och det mesta av den vikten var bränsle. Del av en gammal Saturn V-raket under transport. Bild: NASA Nasa,Saturn V

Och då snackar vi bara om att ta sig till månen. Mars är en story helt för sig. En story med rubriken: “Starship”. Så heter alltså raketen som ska ta oss till den röda planeten, om Elon Musk får sin vilja igenom. Och det tenderar han att få. Förr eller senare.

Svårigheten med att fly från jorden

Man ska egentligen vara lite galen för att flyga med en rymdraket. Det motsvarar ju i princip att sitta på en exploderande atombomb, mätt i styrka. Rymdraketen levererar bara sin kraft lite mera kontrollerat än atombomben.

Vill du ta dig till Mars, eller vilken annan planet eller måne som helst, så måste du allra först övervinna jordens gravitation. Det kräver att du behöver uppnå en viss hastighet som kallas flykthastighet.

Flykthastigheten är alltså den hastighet som behövs för att man ska kunna ta sig bort från en himlakropp utan att dras tillbaka av gravitationen. Jordens flykthastighet är ca 11 km/s (39 300 km/h).

Satellit i omloppsbana runt jorden.
Också den här satelliten behövde komma upp i mer än 39 300 km/h för att kunna nå omloppsbana runt jorden. Satellit i omloppsbana runt jorden. satelliter

Som jämförelse: flykthastigheten från ett svart hål är lika med ljusets hastighet. Eftersom det är fysiskt omöjligt att komma upp i den hastigheten kan man inte ta sig ut ur hålet om man en gång trillar in.

Men nu ska vi inte lämna ett svart hål, vi ska lämna jorden. Dryga 39 000 kilometer i timmen, det går ännu att fixa - bevisligen. Men det kräver bränsle.

Newton slår fast reglerna

Och vad är det som det bränslet gör? Isaac Newton var den första som svarade på det här. Newtons tredje rörelselag säger att två kroppar påverkar varandra med lika stora men motriktade krafter.

Med andra ord, vill du röra dig framåt måste du skapa en bakåtriktad kraft. Det är där som bränslet kommer in.

Bränslet, till exempel kerosin, reagerar kemiskt med syre - det brinner, på svenska. Vilket frigör energi. Det här kastar reaktionsgaserna bakåt. Vilket alltså knuffar rymdfarkosten framåt, allt enligt Newtons tredje rörelselag.

Sir Isaac Newton.
Isaac Newton: "Två kroppar påverkar varandra med lika stora men motriktade krafter." Sir Isaac Newton. Isaac Newton

Med andra ord, den som vill ta sig uppåt och ut ur jordens tyngdkraftsbrunn måste kasta ut någonting från nedre ändan med en jäkla kraft. Och ska du ta dig till månen, till exempel, behöver du attans mycket stuff att kasta ut där bak. Du behöver också en attans bastant raket som kan hantera kraften som det här ger upphov till.

För en resa till månen och tillbaka hem därifrån behöver du 632 kilogram raket och bränsle för varje enskilt kilo som du vill lyfta från marken och återvända till jorden med. Inklusive din egen kroppsvikt. Och det mesta bränslet gör du av med i starten.

Saturn V-raketen som knuffade Armstrong och grabbarna till månen förbrukade 22 ton bränsle per sekund under de två första minuterna efter nedräkningen. På en tiondels sekund brände Saturn V lika mycket bränsle som Charles Lindberghs flygplan förbrukade under hela resan över Atlanten 1928.

Mars är i en klass för sig

Men nu snackar vi alltså “bara” om månen. Mars är sedan i en klass för sig. För att du ska kunna ta dig till Mars och tillbaka hem behöver du mer än tio gånger mera bränsle än i exemplet med månen. Det vill säga dryga sex ton bränsle för vartenda ett kilogram som du ska återvända med från Mars.

Och då har vi kommit till det som håller Elon Musk vaken om nätterna. Musk vet nämligen mycket väl att det inte är en hållbar lösning att frakta en massa raketbränsle av och an mellan jorden och Mars.

Därför behöver vi ett bränsle som går att utvinna på plats och ställe på den röda planeten. Lyckligtvis finns det ett sådant bränsle på Mars, hyfsat lätt tillgängligt dessutom. Det bränslet heter metan.

Stiliserad bild av raketen Starship.
Marsraketen Starship behöver en bränslemack på den röda planeten för att komma hem därifrån. Stiliserad bild av raketen Starship. SpaceX Starship

Det är bland annat just av den här orsaken som SpaceX kommande jätteraket Starship inte drivs med traditionellt raketbränsle baserat på flygfotogen, utan med flytande metan i kombination med flytande syre.

Det här är faktiskt en av de viktigaste skillnaderna mellan Starship och den lättare raketen Falcon 9, SpaceX arbetshäst som det var tal om i det förra avsnittet av Kvanthopp.

RP-1, tråkigt men praktiskt

Falcon 9:s och storasystern Falcon Heavys Merlinmotorer körs på en blandning av flytande syre och RP-1, vilket är facktermen för raketbränsle. RP-1 är i princip en mer raffinerad version av flygbränslet som jetplanen kör på.

Det enklaste och renaste skulle ju vara att använda flytande väte som raketbränsle, väte är universums vanligaste grundämne. Då väte brinner är den enda avgasen som uppstår vanlig vattenånga. Och det sotar inte ned motorerna heller.

Men jämfört med väte är RP-1 klart billigare. Det är stabilt vid rumstemperatur där som flytande väte måste kylas ned till -260 grader Celsius. RP-1 har också högre densitet. Det är kompaktare, med andra ord, tanken kan göras mindre.

RP-1 är också mycket stabilare med mindre tendens att flyga i luften på icke önskvärda sätt, sådär som det vätefyllda luftskeppet Hindenburg gjorde.

Luftskeppet Hindendburg som exploderar.
Luftskeppet Hindenburg visade att väte inte är helt lätt att handskas med. Luftskeppet Hindendburg som exploderar. Bild: Sam Shere Luftskeppet Hindenburg,luftfartyg,zeppelinare,olyckor

Så summan av kardemumman är att det traditionella raketbränslet RP-1 är mer praktiskt än flytande väte. Även om det ju är ett fossilt bränsle, vilket inte är bra ur klimatets synvinkel. Men majoriteten av de nuvarande raketerna flyger i vilket fall som helst på RP-1, inklusive Soyuz, Delta, Atlas, Antares och, som sagt, Falcon.

Starship går en annan väg

Däremot så har Elon Musk och SpaceX som sagt valt att gå en annan väg med tungviktaren Starship. Starships mäktiga Raptor-motorer drivs alltså med flytande metan och flytande syre, bäggedera nedkylda till superlåga temperaturer.

Metan är i många avseenden det näst bästa raketbränslet efter rent väte. Annars är ju metan ett elände, det är en otroligt potent växthusgas, men det är en annan femma i det här sammanhanget.

Metan har bland annat den fördelen att det är vanligt som gråa kattor. Det uppstår i samband med nedbrytning av organiskt material i syrefattiga miljöer, till exempel i kärr. Följaktligen kallas metan också sumpgas. Det som vi kallar naturgas är i princip huvudsakligen metan. Det utvinns i samband med oljeborrning.

En stiliserad metanmolekyl.
Metan, det enklaste av alla kolväten. En kolatom och fyra väteatomer. "Mest krut" per kolatom av alla kolvätebaserade bränslen. En stiliserad metanmolekyl. metan

Metan är ett kolväte, i stil med till exempel bensin och diesel som också består av kolväten. Men metan är det enklaste av alla kolväten. Och det har den högsta energitätheten per kolatom. Det här gör att metan frigör den minsta mängden koldioxid per energienhet av alla kolväten, när man bränner det.

Det brinner också renast av alla kolbaserade bränslen. I praktiken frigörs ingen kväveoxid, svaveldioxid och partiklar när metan brinner. Därför är ett biogaskraftverk bättre än ett kolkraftverk eller en dieselgenerator. Till exempel.

Kan tillverkas på Mars

Men för framtidens Marsfarare är det framför allt en egenskap som gör metan så attraktivt. Framför allt om de kommer farande i en av SpaceX Starship-raketer. Och det är att metan är ganska lätt att syntetisera. Det görs redan nu allmänt, syntetiskt metan tillverkas i stora anläggningar här på jorden.

Metan är väldigt praktiskt: du kan tillverka det av ingredienser som ligger och skräpar lite varstans, inte bara här på jorden utan överallt i solsystemet. Som koldioxid och vatten. Bäggedera finns i rikliga mängder på Mars.

Och det här skulle ju innebära en lösning på problemet jag nämnde i början. Svårigheten med att åka i princip vart som helst, om det sedan är månen, Mars eller Mässkär, är att det inte finns några bensinmackar där. Så allt bränsle du behöver för att åka dit och komma tillbaka med en raket som går på vanligt raketbränsle, det måste du ha med dig när du åker.

Därför: kan du fixa nytt bränsle för hemresan på din destination, då kan du ju åka iväg med betydligt lättare bagage.

(Och jo, MacGyver skulle säkert också kunna tillverka metan på Mässkär med ett ficklampsbatteri och sin trogna schweiziska fickkniv. Sedan skulle han konvertera sin Evinrude till att gå på metan, och köra hem.)

Marslandskap sett från ovan.
Bägge ingredienserna för metan finns på Mars: vatten i form av is (bilden t.v.) och koldioxid i atmosfären. Marslandskap sett från ovan. Bild: NASA Mars (planeter),vatten,rymden

Elon Musk tänker sig alltså att komma hem från Mars med äkta hemkört marsianskt metan. Det är bland annat just därför som han kör Starship på metan, också om det skulle finnas traditionellt raketbränsle tillgängligt i överflöd här på jorden.

Nu finns det alltså inte metan som sådant på Mars, inte i några större mängder i alla fall. Däremot finns som sagt ingredienserna till metan där så det räcker och blir över.

Mars atmosfär = 95 procent CO2

Den kemiska formeln för metan är CH4. En metanmolekyl består alltså av en kolatom och fyra väteatomer. Kol är inget problem på Mars, 95 procent av Mars atmosfär är ren och skär koldioxid.

Väte återfinns i sin tur i vatten, vars närvaro på Mars också är ett dokumenterat faktum. Dock inte just i flytande form, men desto mer i form av is, vid polerna och under ytan på mellanlatituderna.

Och vatten går sedan att spjälka till syre och väte ganska enkelt med hjälp av elektrolys. Man kör alltså en elström genom vattnet och så bubblar det upp väte och syre. Syret kan ju Marsfararna sedan använda till att andas, så också det är bra att ha.

Vätet kombinerar man sen på kemisk väg med koldioxiden från planetens atmosfär, med hjälp av en kemisk process som kallas Sabatier-reaktion. För den här processen skulle SpaceX använda zink som katalysator.

Nasa använder Sabatier-reaktionen på Internationella rymdstationen, till att tillverka vatten av koldioxiden som astronauterna andas ut, kombinerat med väte. Metanet som uppstår i processen släpper man ut i rymden. Men på Mars är det uttryckligen metanet man skulle vara intresserad av.

ESA:s astronaut Samantha Cristoforetti på Internationella rymdstationen.
På Internationella rymdstationen används Sabatier-reaktionen till att tillverka vatten av koldioxiden som astronauterna andas ut. Samma process kunde användas till att tillverka bränsle på Mars. ESA:s astronaut Samantha Cristoforetti på Internationella rymdstationen. Bild: ESA Europeiska rymdorganisationen,Internationella rymdstationen,Samantha Cristoforetti

Allt det här är alltså teknik och processer som existerar redan idag, det är inget science fiction över det hela. Däremot så skulle det ju kräva att man fraktade ett par rejäla Sabatiermöllor till Mars, att tillverka metan med för återfärden. Exakt hur de skulle se ut, hur stora de skulle behöva vara, det vet ingen ännu.

Bränslemackar byggda av robotar

Det är hur som helst klart att man inte behöver lika mycket bränsle för att lyfta från Mars som att lyfta från jorden, i och med att Mars är så pass mycket mindre än jorden. Den röda planetens tyngdkraft är svagare än jordens.

Hur som helst är det inte otänkbart att skicka robotar i förväg till Mars, som skulle utvinna vatten och koldioxid och till och med sätta upp färdiga metan-anläggningar där. Så att SpaceX i praktiken skulle ha en bränslemack mer eller mindre klar att användas då de anländer.

Koldioxidneutralitet duger inte, vi måste bli koldioxidnegativa― Elon Musk

Men SpaceX målsättning att köra sina tunga, interplanetära raketer på metan kan ha spännande konsekvenser också här på jorden. För koldioxiden som metanet kräver, går ju att utvinna, inte bara från Mars atmosfär, utan också från jordens atmosfär. Där finns det ju för mycket av den varan just nu.

Med andra ord, tänk om vi kunde slå två flugor i en smäll: fixa bränsle att flyga till andra planeter med och avlägsna skadligt CO2 från jordens atmosfär. Win-win, som jänkarna säger.

Faktum är att Elon Musk helt nyligen meddelade att hans stiftelse finansierar ett 100 miljoner dollars pris, “Carbon Removal X Prize” till den som kommer med den bästa idén för att göra det här i praktiken.

Rektangulär, silverfärgad maskin med flera cylinderformade luftintag med svarta lock.
Det är möjligt (fast ännu dyrt och opraktiskt) att bli koldioxidnegativa genom att avlägsna stora mängder koldioxid från luften. Den koldioxiden kunde sedan utnyttjas till raketbränsle. Rektangulär, silverfärgad maskin med flera cylinderformade luftintag med svarta lock. Bild: EPA/All Over Press koldioxid,Climeworks

“Koldioxidneutralitet duger inte, vi måste bli koldioxidnegativa”, förkunnar Musk i ett uttalande publicerat av X Prize-stiftelsen.

100 miljoner dollars idé

Poängen med det här priset skulle alltså i det långa loppet uttryckligen vara att bekämpa den globala uppvärmningen. Men det är allmänt känt att Musk också är intresserad av att använda tekniken till att fixa bränsle åt sina raketer.

I och för sig, det här skulle ju ha konsekvenser för hur vi tankar våra bilar också. Jag menar, tänk nu om man kunde tillverka bränsle av luft - bokstavligen!

Det finns redan nu experimentella anläggningar som kan tillverka diesel av tillvaratagen CO2 från luften, men processen är på tok för långsam och dyr för att vara till någon praktisk nytta. Åtminstone tills vidare.

Men 100 miljoner dollar kanske sätter sprätt på de små grå cellerna hos någon som tänker i de här banorna. Är det någon som känner sig hugad nu så är deadlinen för bidragen alltså i april 2025.

Men Elon Musk vet, och alla andra vet, att det dröjer innan vi kan börja tanka vare sig våra bilar eller våra rymdraketer på bränsle taget från jordens atmosfär. Och SpaceX kommer att behöva stora mängder metan till sina Starship-avfyrningar redan i den nära framtiden. Så de har planer för mer traditionell metanutvinning.

Oljekällor i Texas.
På kort sikt är SpaceX tvunget att utnyttja metan som utvinns på traditionellt sätt på Texas oljefält. Oljekällor i Texas. råolja

Och med tanke på det är det kanske inte något sammanträffande att SpaceX har valt att hålla till i Boca Chica i södra Texas, på spottavstånd från oljefälten där nere.

Ekokrigaren och oljebaronernas vän

Det är ju inte så lite ironiskt, det här. Elon Musk är ju kanske vår tids främsta profet när det kommer till fossilfritt. Musk är grundaren och ägaren bakom elbilstillverkaren Tesla. Han vill också utmana flyget med det magnetsvävande supertåget Hyperloop.

Och här är han nu, på väg att bli en av storkunderna till oljebaronerna i Texas? Vem hade trott det.

Men så här är det alltså. Starbase, som SpaceX raketbas alltså heter, kommer att matas med bränsle från minst fem gaskällor i närheten av basen. Dessutom kommer elströmmen som SpaceX behöver att produceras av två gasdrivna kraftverk.

Men om vi snackar om metan uttryckligen för raketbränsle: naturgasen från källorna renas och kyls ned för att omvandla den till vätskeform. Sedan behövs det bara flytande syre, och så är Starship redo att gasa iväg mot månen eller Mars. Bokstavligen gasa. Naturgasa.

Men hej, lite bättre är det trots allt än vanligt raketbränsle baserat på kerosin, som majoriteten av raketerna flyger med. Som sagt. Och jag betvivlar inte att Elon Musk, åtminstone personligen och på lite längre sikt, är genuin med sin strävan att få till stånd en hållbar energihushållning.

Musk är inte en trädkramare, han är en benhård businessman som vet att den globala uppvärmningen är ett direkt hot mot hans intressen, om vi inte får den under kontroll.

Elon Musk anser att anklagelserna mot honom är ogrundade
Elon Musk, ekokrigare och oljebaronernas vän. Elon Musk anser att anklagelserna mot honom är ogrundade Bild: EPA/BEN MACMAHON Elon Musk,Tesla Motors

Och Musk, till skillnad från de flesta av oss, har tillgång till riktigt tunga verktyg för att göra en kännbar skillnad i det avseendet. Som jag har konstaterat, han har en tendens att få saker och ting att hända.

När får Musk bukt med Starship?

Till en början vore det ju trevligt om han fick sina Starshipraketer att landa som planerat, utan att explodera. I tisdags gick det ju igen på tok när prototyp nummer 11 var på väg ned för landning efter en i övrigt lyckad avfyrning. I skrivande stund är det inte klart vad som hände, men tydligen drabbades raketen av någon riktigt rejäl störning. Kaboooom! sade det.

Det rådde tjock dimma i Boca Chica den morgonen, och de flesta tyckte antagligen att de är från vettet på SpaceX som flyger när man knappt ser sin näsa framför sig.

Men det var knappast det som var problemet. SpaceX kan landa sina raketer med förbundna ögon om så krävs, tekniken ser sånt som våra ögon inte ser. Problemet låg sannolikt i någon av de tre Raptor-motorerna och/eller deras bränsletillförsel.

Och vi får ju bara hoppas att problemet är av den övergående sorten, för Raptor-motorerna representerar en otroligt innovativ och smart design. Helt klart ett av de största framstegen inom raketteknologin på flera årtionden.

SpaceX raketmotorer Merlin och Raptor.
Raptor (t.h.) är en fullflödesmotor av den nya sorten medan den mindre Merlin är en traditionell raketmotor. SpaceX raketmotorer Merlin och Raptor. Bild: SpaceX SpaceX

Raptor bygger på så kallad fullt flödes stegvis förbränning (Full Flow Staged Combustion, FFSC) som kör både bränslet och oxidatorn - metan och syre i Raptorns fall - genom sina egna förbrännare och sina egna turbiner innan de leds ut i raketmunstycket. På det här sättet används 100 procent av bränslet till att skapa lyftkraft, medan en “vanlig” raketmotor dumpar en del av utflödet som avgaser.

En fullflödesmotor blir alltså effektivare och kan göras mindre och kompaktare. Motorn blir också i princip tillförlitligare och den får en längre livslängd. Raptormotorerna ska i teorin klara av 1000 flygningar utan problem.

Lägg sedan till att Raptor alltså körs på flytande metan och syre - metan brinner som sagt renare än vanligt raketbränsle, så det borde bli mindre problem med sot som proppar igen motorn.

På fullflödesmotorns minussida har vi sedan det faktum att en fullflödesmotor är mer komplicerad och innehåller fler komponenter än en vanlig raketmotor. Så det kan ta sin tid innan man får den rattad in så att allt fungerar ihop.

Raketbranschens heliga graal

Den här tekniken är på sätt och vis raketbranschens “heliga graal” som ingenjörerna har jagat i årtionden. Ryssarna experimenterade med fullflödesmotorer på Sovjetunionens tid, men kom aldrig riktigt till skott med det.

Återstår att se hur det nu sist och slutligen ska gå för SpaceX. Nästa prototyp, SN15 - de skippar prototyperna tolv till fjorton helt och hållet - kommer enligt dem som vet att innehålla ganska stora förändringar, och förhoppningsvis till det bättre.

För i all evinnerlighet kan Musk inte fortsätta med att spränga sina prototyper. I något skede sinar till och med hans till synes bottenlösa penningkista.

Följetongen fortsätter, och Kvanthopp får säkert lov att återkomma till saken i något skede.

Artikeln korrigerad kl. 9.44: Rättat decimalfel i Saturn V:s vikt.

Läs också

Nyligen publicerat - Vetenskap