Wat is de ecologische voetafdruk van de ruimtevaart?

Wat is de ecologische voetafdruk van de ruimtevaart?

Wie had er niet kunnen worden overweldigd door de recente ongelofelijke bemande Space X-lancering op 30 mei? Twee astronauten verlieten met succes de atmosfeer van de aarde om aan te meren met het internationale ruimtestation op een semi-herbruikbare raket. Dit was duidelijk een ongelooflijke prestatie en bracht de VS terug naar de voorhoede van de ruimtevaart. Bovendien brengt deze belangrijke stap ons dichter bij bemande vluchten naar mars, wat volgens mij zeer waarschijnlijk binnen het komende decennium zal gebeuren. Ik hou van het idee van NASA om de 'easy stuff' uit te besteden, zodat ze zich kunnen richten op de grotere prijs van Mars!

Het kijken naar de lancering zette me aan het denken over de CO2-voetafdruk en de milieu-impact van het verschuiven van de Dragon-capsule 400 kilometer de ruimte in om het Internationale Ruimtestation (ISS) te ontmoeten. Ik was verbaasd hoe moeilijk het is om de vraag naar de CO2-voetafdruk te beantwoorden - en nog zorgwekkender hoe dubieus de wiskunde was waar mensen het hebben geprobeerd - dus ik heb verschillende getallen van over het internet bij elkaar getrokken om te proberen een gevoel voor het getal te krijgen - mijn berekeningen zijn hieronder dus voel je vrij om de onderliggende logica uit te dagen.

Het berekenen van de CO2-voetafdruk

De Falcon 9 raket wordt aangedreven door 9 Merlin motoren. De Merlin motoren genereren ongeveer 1,7 miljoen pond stuwkracht op vol vermogen en verbruiken een mix van supergekoelde kerosine en cryogene vloeibare zuurstof drijfgassen. Ongeveer 155 ton van de gekoelde vloeibare kerosine wordt verbruikt tijdens een lancering, samen met 362 ton vloeibare zuurstof. Dat is veel brandstof die onder onze twee astronauten zit. Er wordt niet alleen hoogwaardige vliegtuigbrandstof verbrand, maar er wordt ook veel zuurstof verbruikt in het verbrandingsproces. Dus wat is de koolstofvoetafdruk van de lancering?

• Kerosine heeft een koolstofintensiteit van 3Kg koolstof per Kg kerosine [I]. De koolstof die wordt gegenereerd door de kerosine die bij de lancering is gebruikt, is dus 465 ton.

• De gebruikte zuurstof wordt geproduceerd door middel van een cryogeen proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om de lucht te koelen en de zuurstof vrij te maken. Ervan uitgaande dat de opslag en het transport relatief efficiënt zijn en dat er netstroom wordt gebruikt om de zuurstof te produceren, dan is de koolstof die bij de productie van de zuurstof wordt uitgestoten nog eens 650 ton (zie onderstaande berekening).

De totale koolstofvoetafdruk van de kerosine en de zuurstof is dus ongeveer 1115 ton. De jaarlijkse koolstofvoetafdruk van '278' gemiddelde wereldburgers. Eerlijk gezegd had ik verwacht dat die veel groter zou zijn.

Er is een mogelijkheid om de zuurstof te maken met behulp van koolstofvrije elektriciteit - maar gezien het feit dat niemand erover schreeuwt betwijfel ik dat dit gebeurt (ik wil graag gecorrigeerd worden!).

Als je dat vergelijkt met een conventionele vlucht; een Boeing 747 verbrandt ongeveer 4 liter brandstof per seconde; vliegen van Londen naar New York gebruikt in totaal ongeveer 70 ton met een CO2-voetafdruk van ongeveer 210 ton CO2 per weg. Als we dat vergelijken met onze lancering dan gebruiken we ongeveer het equivalent van 5 retourvluchten in de trans-Atlantische Oceaan.

Een andere maatstaf is de uitstoot per vervoerde passagier/per km - die voor de recente reis naar het ISS van slechts twee vluchten ongeveer 700 kg/km bedraagt (ik ben uitgegaan van 400 km per weg zonder brandstofverbranding op de terugweg). Dat is vergelijkbaar met 0,133 kg/km voor een binnenlandse vlucht of 177 kg/km voor een autoreis [ii]. Dit verbetert aanzienlijk een de drakencapsule heeft een volledig compliment van 7 astronauten.

Het is waarschijnlijk dom om de ruimtevaart te vergelijken met de trein en de lucht - maar het laat wel zien hoeveel energie er in verhouding wordt gebruikt en dus hoeveel koolstof er wordt uitgestoten.

Andere overwegingen

Ik denk dat het bovenstaande misschien iets hoger is, omdat je de verliezen in het transport en de productie van beide brandstoffen bij elkaar optelt. Ik heb moeite gehad om hier gegevens over te vinden, maar de kans is groot dat ze de voetafdruk nog verder vergroten. Een enorme stap in het ontkolen van de ruimtevaart zou zijn om al die zuurstof op te wekken en te transporteren met behulp van groene, koolstofvrije elektriciteit!

Er zijn nog enkele andere interessante effecten van de ruimtevaart met betrekking tot de plaats waar de uitstoot plaatsvindt, bijvoorbeeld roet in de bovenste atmosfeer en de afbraak van de ozonlaag [v]. Daar ben ik hier niet op ingegaan, want ze zijn super complex en er lijkt niet al te veel duidelijkheid te zijn in de wetenschap over de impact. Ze worden echter steeds belangrijker naarmate het aantal raketlanceringen toeneemt.

Conclusie

Wereldwijd zijn er jaarlijks ongeveer 100 ruimtevaartlanceringen per jaar - maar met het ruimtetoerisme en het toenemende aantal satellietlanceringen is dit aantal vastgepind op ruim 1000 [iii]. Als we ons koolstofgetal voor onze lancering nemen, komen we in slechts enkele jaren tijd tot een koolstofvoetafdruk voor de ruimtevaart van ongeveer 3,1 miljoen ton - samen met schade aan de ozonlaag en roet in de bovenste atmosfeer. Naarmate de ruimtevaart uitbreidt en Mars steeds meer mogelijk lijkt, zal het steeds belangrijker worden om de voetafdruk van onze aspiraties om ons zonnestelsel te verkennen, hier op aarde te beheren.

Als je echt vermogen wilt zien, zet dan het volume harder en klik op play op deze geweldige video van een merlin-motor die wordt getest!

en als je het weer wilt zien - hier is de lancering!

Wat wiskunde!

Er zijn niet veel gegevens vrij beschikbaar over de koolstofintensiteit van vloeibare zuurstof. Dus heb ik een voorbeeld genomen van 300kW[iv] zuurstoffabriek die 300kw elektriciteit gebruikt om 2 ton in een dag te produceren. Om een ton vloeibare zuurstof te produceren heb je ongeveer 3,6MWHr aan elektriciteit nodig. Om de 362 ton vloeibare zuurstof te produceren die nodig is voor de lancering heb je dus 1300MWHr elektriciteit nodig. De gemiddelde koolstofintensiteit van het net in de VS is 0,5 ton kooldioxide per MWHr. Daarom is de koolstof die wordt opgewekt bij de productie van de zuurstof voor de lancering ongeveer 650 ton als ze gebruik maken van 'standaard' elektriciteit van het Amerikaanse elektriciteitsnet. Waar de zuurstof wordt gemaakt, doet het er hier echt toe - als het in de zonnegordel van Californië wordt gemaakt, zou het veel minder zijn dan wanneer het elektriciteit uit steenkool zou gebruiken. De geografie doet er echt toe als het gaat om de koolstofintensiteit!

www.engineeringtoolbox.com/co2-emission-fuels-d_1085.html

ii] www.bbc.co.uk/news/science-environment-49349566

www.space.com/elon-musk-starship-spacex-flights-mars-colony.html

iv] advancedtech.airliquide.com/liquid-oxygen-lox-plant

[v] www.sciencefocus.com/space/are-space-launches-bad-for-the-environment/