Ruimteinfrastructuur – Trappen naar de Hemel

Een nieuw ruimte tijdperk

With the invention of reliable reusable rockets by Elon Musk’s SpaceX, a new space race has kicked off. This is because it has cut the costs of reaching orbit by almost 10x, with even more cost-cutting expected from the massive Starship.

Bron: Ark Invest

Dit leidde tot de huidige situatie, waarbij in 2023 de overgrote meerderheid van wat er in een baan werd gebracht, zowel qua massa als aantal satellieten, werd gelanceerd door SpaceX.

Starship will ultimately be able to send in low-Earth orbit (LEO) between 50-200 tons of material every launch, depending on estimates. This will be a major step forward, probably allowing for new milestones in humankind’s history, including:

• Vaste bases op de maan.
• Eerste menselijke expeditie naar Mars.

If you want to learn more about how a world would look where these have already taken place, and how it could create a self-sustaining space-based economy, you can read more in our articles “The Future Space-Based Economy” and “The Future Martian Economy”.

Starlink en vergelijkbare satellietconstellaties zijn al enorme ruimtegebaseerde infrastructuren in aanbouw. Ze maken overal op aarde toegang tot breedbandinternet mogelijk en worden verwacht de belangrijkste inkomstenbron te worden voor bedrijven zoals SpaceX, dat al miljoenen betalende abonnees heeft.

Bron: Ark Invest

Toch zijn raketgebaseerde lanceringen naar de ruimte uiteindelijk beperkt door de fysica waarop de technologie is gebaseerd. Een belangrijk onderdeel is dat raketten een belachelijk grote hoeveelheid brandstof moeten uitstoten om te vertrekken. Bijvoorbeeld, SpaceX’s Falcon Heavy is een raket van 22,2 ton, met een beladen massa van 433 ton. Dit betekent dat uiteindelijk het grootste deel van de brandstof wordt verbruikt alleen om meer brandstof te tillen.

Om onder de grens van $100/kg lanceerkosten te komen, zullen volledig andere methoden dan de raket nodig zijn.

If the costs of leaving Earth’s gravity go down enough, many things could be built in space.

Grote prestaties vereisen infrastructuur

Relying solely on rockets to reach space is similar to if we did all transportation and trade on Earth using only planes and helicopters. While technically not impossible, it would be absurdly expensive when building infrastructure like harbors, roads, and railroads allows us to use much cheaper alternatives.

Het kan een soort kip-en-ei-probleem zijn als we al het transport en de handel op aarde alleen met vliegtuigen en helikopters zouden doen. Hoewel technisch niet onmogelijk, zou het absurd duur zijn, terwijl het bouwen van infrastructuur zoals havens, wegen en spoorwegen ons in staat stelt veel goedkopere alternatieven te gebruiken.

Tot nu toe waren grootschalige infrastructuren niet de moeite waard om te bouwen, omdat onze lanceerbehoeften slechts enkele tientallen satellieten en een tiental astronauten in banen brachten.

With better launch systems becoming available, we will likely see in the next 2 decades a massive expansion of human activity in space. Some of these will be highly profitable or very well funded, including:

• Wetenschappelijke megaprojecten, zoals het bouwen van een radiotelescoop aan de verre kant van de maan.
• Maanbases van westerse landen en China & Rusland.
• Ruimtetoerisme, ofwel suborbitale vluchten, orbitale ruimtestations, of op de maan.

Dit zal een voldoende grote markt creëren zodat het winstgevend wordt om tientallen of honderden miljarden te investeren alleen al om marktaandeel te veroveren van raketbedrijven zoals SpaceX.

Massadrivers

One such infrastructure, called a mass driver, promises to cut launch costs drastically. It is most likely already doable with currently available technology. The key idea of a mass driver is that a shuttle could be sent into orbit by accelerating it enough on the ground that it would not need an onboard propellant.

De manier waarop wetenschappers en ingenieurs hebben nagedacht om dit te doen, is door een maglev-trein te creëren die lijkt op het Hyperloop-concept en in een vacuüm opereert. Op deze manier zal noch wrijving met het spoor noch met de luchtdeeltjes het lanceervoertuig vertragen en opwarmen.

Bron: Acepedia

China kijkt al naar de ontwikkeling van zo’n technologie, dus het zou dichterbij kunnen liggen dan we verwachten.

Als het succesvol is, zou het de orbitale lanceerprijs nog eens met een factor 10 kunnen verlagen, bovenop de al sterk verlaagde kosten door SpaceX, met schattingen die de kosten op $60/kg plaatsen.

Terzijde zou dit type systeem eerst kunnen worden gebruikt met kleinere modellen om vliegtuigen te versnellen tot een snelheid waarbij hypersonische scramjet-motoren kunnen werken, waardoor zeer snelle hypersonische vluchten mogelijk worden.

Een waar megaproject

Natuurlijk zou een orbitale massadriver nodig zijn om extreme snelheid te bereiken en absoluut massief en krachtig te zijn om de honderden of duizenden tonnen payload te vervoeren en te versnellen om te kunnen concurreren met Spaceship.

Het lanceerpad moet ook honderden, zo niet duizenden kilometers lang zijn, waarbij het meest veelbelovende kandidaatgebied het Tibetaanse plateau is.

Massadrivers behoren echter nog steeds tot de minst ambitieuze voorgestelde ruimteinfrastructuur, aangezien ze voornamelijk beperkt worden door beschikbare financiering en de vaardigheid om ze met bekende technologie te ontwerpen.

Ruimte-elevator

Another known way to carry things up and down at the lowest possible energy cost is to use a counterweight, like in elevators. This way, the only energy spent is lifting the payload weight, and there is no need for extreme speed.

Dit is het idee achter een ruimte-elevator, waarbij een tienduizenden kilometers lange kabel wordt gebruikt om massa van en naar de aarde te vervoeren. In theorie zou zo’n systeem het bereiken van de baan nog goedkoper kunnen maken dan het momenteel kost om een vliegtuig te nemen.

Bron: ISEC

De belangrijkste beperking hier is niet de marktvraag of beschikbaar kapitaal (hoewel die ook meetellen), maar de technologie. Zo’n extreem lange kabel zou ultralicht materiaal vereisen met treksterkte veel hoger dan gangbare materialen zoals staal of titanium.

Dit zou kunnen veranderen, met supermaterialen zoals grafeen die blijkbaar aan de technische eisen voldoen, een type 2D-materiaal waar we in detail over hebben gesproken in ons artikel “2D-materialen, zoals grafeen, openen nieuwe frontiers in materiaalkunde”.

Dit zou echter massaproductie van hoogwaardig grafeencrystal vereisen, iets dat tot nu toe nog nooit is bereikt. Tegen de huidige prijs van grafeen zou het absurd duur zijn.

Het zou echter de ideale infrastructuur zijn voor een blijvende menselijke aanwezigheid in de ruimte, orbitale industrieën en interplanetaire handel, met een capaciteit van 30.000 ton per jaar naar een geosynchronisatieweergang, of het equivalent van tientallen Starship-lanceringen per dag.

Je kunt meer over dit concept zien in deze 1-uur durende video van het International Space Elevator Consortium:

Orbital Megastructuur

Als we ooit een ruimte-elevator kunnen bouwen of grootschalige productiefaciliteiten op de maan kunnen opzetten met materiaal van asteroïden, kunnen we ons een nog grootschaligere infrastructuur voorstellen.

Bijvoorbeeld, een orbitale ring is het idee om een structuur te bouwen die de volledige aarde omcirkelt.

Bron: Isaac Arthur

Zo’n systeem zou in een baan blijven dankzij de centrifugale kracht die de zwaartekracht van de aarde compenseert. Het zou habitats in de ruimte bieden, onderhoudsstations, lanceerplaatsen voor missies naar de diepe ruimte, ankerpunten voor energieopwekking (zonnepanelen), en zelfs mogelijk klimaatmitigatie met zonneschermen.

Echter, zo’n concept is zo ambitieus vanuit technologisch en infrastructuurstandpunt dat het waarschijnlijk nooit zal worden gerealiseerd totdat ten minste massadrivers en een ruimte-elevator eerst zijn gebouwd.

Mijnstations & Verwerkers

The idea of mining asteroids for raw materials and processing the ore in space is much more accessible and realistic.

Veel asteroïden zijn zeer metaalrijk; in feite bevat de asteroïdengordel in ons zonnestelsel ongeveer 8% metaalrijke (M-type) asteroïden. Met de totale massa van de asteroïdengordel van 2,4 quintiljoen ton, is dat veel metaal.

Bron: ESA – De twee gebieden waar de meeste asteroïden in het zonnestelsel worden gevonden: de asteroïdengordel tussen Mars en Jupiter, en de trojans, twee groepen asteroïden die voor en achter Jupiter bewegen in zijn baan rond de zon.

Op aarde delven we tot 2-4 km diep voor goud of platina. Maar één enkele asteroïde, 16 Psyche, zou een 200 km grote brok metaal kunnen zijn die wacht om te worden gedolven voor een waarde (tegen huidige prijzen) van $10-700 quintiljoen.

Dus, er zijn 2 soorten ruimtemijnbouw die zeer winstgevend kunnen zijn:

• Zeldzame materialen zoals goud en platina moeten terug naar de aarde worden verscheept.
• Basismaterialen die in een baan kunnen worden gebruikt om ruimteschepen, ruimthotels, enz. te bouwen, zonder de buitensporige kosten van het tillen van deze materialen vanaf de aarde te hoeven betalen.

Het is waarschijnlijk dat een asteroïd-mijnbouwonderneming geld zal verdienen aan beide, door asteroïden met waardevolle mineralen te vangen en naar de aarde te brengen. En door het mijnafval, gemaakt van koolstofijzer, nikkel, enz., te gebruiken om ruimtestations, maanbases, raketten, enz. te bouwen.

Een ander voordeel is dat zodra mijnbouwapparatuur in de ruimte is geplaatst, deze de asteroïden kan delven in een gewichtloze omgeving. Dit kan mijnbouw in de ruimte gemakkelijker maken dan op aarde, waar het verplaatsen van duizenden tonnen rotsen een energie-intensieve en riskante activiteit is.

Zonne-collectoren

Another proposed space industry that could become the driver of a space-based economy is solar energy. In the right orbit, the Sun shines 24/7 and at a much higher intensity due to the lack of an atmosphere to absorb the light.

Dergelijke systemen kunnen zowel een reden zijn om ruimte-infrastructuur te bouwen (door de kosten van de energiesatellieten te verlagen) als een mogelijkmaker van verdere vooruitgang (zoals het aandrijven van raffinage stations die asteroïden delven).

Bron: Space Solar

(We verkennen dit idee in meer detail in ons artikel “Ruimtegebaseerde energieoplossingen voor eindeloze schone energie”).

Laserzeilpropellers

To get off Earth, either rockets or advanced infrastructure are required. But to move in space, only a little energy is actually needed once you’re far from a gravity well. So little, in fact, that just light can provide enough power to do so.

Dit is de fysica achter het concept van een zonnzeil. Dit is geen speculatief sciencefictionconcept, maar een echte technologie die al door NASA wordt getest.

Zo’n zeil zou kunnen worden voortgestuwd door zonnestralen, maar ook door een laser. Dus potentieel, in plaats van brandstof te verbranden, zouden we interplanetaire reizen kunnen zien die worden aangedreven door lasers vanuit een baan of op de maan, die zelf worden aangedreven door lokale zonne-energiesatellieten.

Off-World bases & kolonies

While discussing infrastructure, most will focus on the “flashy” technologically challenging projects, like space elevators.

Echter, er zal veel andere infrastructuur nodig zijn in de ruimte, vooral als we permanente nederzettingen bouwen, van bases met accommodatie voor wetenschappers en toeristen tot bloeiende steden op Mars.

Dit omvat koepelvormige boerderijen, binnenhydroponische en aquaponische voedselproductie, telecommunicatie, lanceerplatformen, brandstofproductie en hervulstations, enz., evenals alledaagse maar even essentiële energiecentrales, stroomleidingen, ziekenhuizen, wegen, waterleidingen, enz.

Aldrin-conveyor / Cycler

Bases of kolonies op de maan zullen “gemakkelijk” rechtstreeks vanuit de aarde kunnen worden bevoorraad. Het in- en uitbrengen van personeel of toeristen zal gebeuren in een korte reis, die maximaal een paar dagen duurt.

Echter, reizen naar meer afgelegen bestemmingen zoals Mars zal een reis vereisen die waarschijnlijk bijna een jaar of op zijn best weken zal duren. Dit is geen probleem voor ruwe materialen en uitrusting, waar dit slechts de logistiek een beetje bemoeilijkt.

Dit is veel problematischer voor passagiers. De ruimte buiten de magnetosfeer van de aarde is blootgesteld aan zware straling. En in het geval van een moeilijk te voorspellen zonnestorm kunnen passagiers op weg naar Mars nog meer straling ontvangen. Dus, voorbij de eerste moedige avonturiers die de eerste stap op Mars zetten, zal regulier passagiersvervoer een zeer zwaar en afgeschermd schip vereisen.

En misschien met enige voedselproductie aan boord en sterke waterrecycling om de hoeveelheid te transporteren voorraden te beperken (we bespraken dit onderwerp van voedselvoorziening in de ruimte in meer detail in ons artikel “Ruimtevoedsel – Hoe gaan we de volgende golf van pioniers van de mensheid voeden?”).

Dit kan worden gedaan met een klassieke raket. Maar dit zou een verspilling van brandstof zijn, omdat elke keer het hele schild, de levensondersteuning en de voedselvoorziening moeten worden versneld en vertraagd.

In plaats daarvan zou de Aldrin Cycler (voorgesteld door Buzz Aldrin, de tweede man op de maan), of Mars Cycler permanent in een baan kunnen draaien zodat hij regelmatig in de buurt van zowel de aarde als Mars komt.

Bron: Ethan MacDonald

Op deze manier zou je een permanent ruimtestation kunnen bouwen voor mensen om van en naar Mars te reizen. Het zou zware stralingsbescherming en voedselproductie hebben, evenals comfortabelere en ruimere kamers en sportfaciliteiten om mensen in vorm te houden ondanks de afwezigheid van zwaartekracht.

Bron: Buzz Aldrin

O’Neil Cylinder & asteroïdekolonies

Speaking of space habitats, more ambitious concepts than the pit-stop/hotel on the way to Mars, like the Aldrin Cycler, have been considered. This is the plan that Jeff Bezos is pursuing, with “a trillion people living in gigantic space stations also known as O’Neil cylinders.”

Dit zijn gigantische cilinders waarvan de rotatie een kunstmatige zwaartekracht aan de binnenkant zou creëren, groot genoeg om honderdduizenden of miljoenen bewoners te huisvesten.

Bron: Blue Origin

Ze zouden kunnen worden gebruikt om ideale leefomstandigheden te bieden of om zware en vervuilende industrieën uit de ecosystemen van de aarde te verplaatsen.

Zo’n infrastructuur zou in wezen onbeperkte leefruimte bieden voor een ontelbare hoeveelheid mensen door het hele zonnestelsel. Het zou zelfs kunnen worden gebruikt om andere sterren te koloniseren, aangezien ze in wezen zelfvoorzienende microplaneten zijn.

Echter, zo’n infrastructuur komt waarschijnlijk nog later in de tijdlijn van ruimtekolonisatie dan orbitale ringen, aangezien het een jaarlijkse ruimteproductiecapaciteit van triljoenen tonnen zou vereisen, evenals transport heen en terug naar de aarde tegen bijna geen kosten.

Dyson-sfeer

Aan het uiterste einde van het spectrum van speculatieve ruimteinfrastructuur, de Dyson-sfeer, of Dyson-zwerm.

Voor het eerst voorgesteld door Freeman Dyson, is het idee om al het beschikbare gesteente en metaal in het zonnestelsel te gebruiken, en een zwerm van ruimtehabitats te bouwen die zelfs groter zijn dan de O’Neil-cylinders, mogelijk met elk een oppervlak zo groot als de aarde, om zoveel mogelijk van de energie-output van de zon op te vangen.

Bron: Wikipedia

Dit wordt ook beschouwd als een soort “eindspel” voor elke ruimtevarende beschaving. Het is moeilijk om iets hoger technologisch voor te stellen dan letterlijk planeten demonteren om het gebruik van hun materie en de energie van de zon te optimaliseren.

Het is een “techno-handtekening” die intensief is onderzocht door astronomen om tekenen van potentiële buitenaardse technologische beschavingen te vinden.

Dit is uiteraard een zeer controversieel onderwerp, maar het lijkt erop dat al 60 sterren dit profiel kunnen matchen. Het wordt nog steeds sterk betwist onder astronomen, aangezien het simpelweg kan zijn dat ze een nieuw type ster hebben gevonden. Het blijft echter intrigerend voor mensen die geïnteresseerd zijn in ruimteverkenning en zou een geheel nieuw perspectief openen op hoe ver de mensheid kan gaan als ze naar de sterren reiken.

Je kunt ook veel meer prachtige concept art en miniaturen vinden over ruimtekolonisatie en de infrastructuur die we hier bij Spacehabs hebben besproken.

Investeren in ruimteinfrastructuur

Space is a very established industry experiencing a rebirth and explosive growth on the back of reusable rockets. We discussed how this will create whole opportunities in our article “Reusable Rockets To Create Multiple New Markets By Lowering Costs Drastically”.

De huidige ruimte markt is $443 miljard. Zelfs als we meer speculatieve (maar potentieel zeer lucratieve) ideeën zoals asteroïd-mijnbouw, ruimtetoerisme & hypersonische vluchten negeren, kunnen ze nog eens $350 miljard aan inkomsten toevoegen, waaraan een voorspelling van satellietgebaseerd internet ter waarde van $17 miljard kan worden toegevoegd, evenals militaire toepassingen en gesubsidieerde maanbases, wetenschappelijke projecten, enz.

Je kunt investeren in ruimtegerelateerde bedrijven via vele brokers, en je kunt op deze website onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

If you are not interested in picking specific space-related companies, you can also look into ETFs like ARK Space Exploration & Innovation ETF (ARKX) or VanEck Space Innovators UCITS ETF (JEDI) to capitalize on the growth of the space sector as a whole.

Ruimteinfrastructuur bedrijven

1. Rocket Lab

Rocket Lab is een van de meest serieuze concurrenten op de markt voor herbruikbare raketten. Het bedrijf heeft zich aanvankelijk gericht op kleine raketten, met het Electron-lanceersysteem (320 kg payload), dat geleidelijk wordt omgevormd tot een gedeeltelijk herbruikbare raket. Tot nu toe heeft Electron 177 satellieten in 44 lanceringen ingezet.

Later kijkt Rocket Lab naar het creëren van een middelgrote herbruikbare raket, de Neutron, vergelijkbaar met Flacon 9 (8.000 kg naar LEO in volledig herbruikbare modus, 1.500 kg naar Mars of Venus). De Neutron zal worden aangedreven door een methaanverbrandende raketmotor (zoals Starship), wat de trend lijkt te worden voor de volgende generatie raketten.

Het bedrijf is opmerkelijk vanwege zijn volledig verticaal geïntegreerde satellietproductieproces, waardoor het kosten en ontwerpsnelheid kan optimaliseren. Dit heeft geresulteerd in meerdere contracten met NASA & de Amerikaanse overheid, waaronder een militair satellietcontract van $515 miljoen. en een civiel contract van $143 miljoen voor Globalstar.

Rocket Lab is ook een grote fabrikant van zonnepanelen voor satellieten na de overname van SolAero Technologies in 2022, met meer dan 1000 satellieten die door deze panelen worden aangedreven, en in totaal 4 MW aan zonnecellen geproduceerd.

Bron: Rocket Lab

Voorlopig is het lanceersysteem afhankelijk van externe leveranciers, maar een reeks strategische overnames zou dat moeten veranderen, door de verticale integratie die al is bereikt in satellietontwerp en -productie te repliceren in het lanceersysteem.

Het bedrijf kijkt ook naar de mogelijkheid van een telecom LEO-constellatie om terugkerende inkomsten te genereren. Het draagt ook bij aan onderzoek voor in-space productie met Varda Space Industries en inspectie van orbitale rommel.

Terwijl SpaceX Elon’s Musk’s zakelijke talent had om de technologie vanaf nul te ontwikkelen, gebruikte Rocket Lab een mix van R&D en overnames om de benodigde technologie verticaal te integreren. Dit is zeer succesvol gebleken in satellietproductie, en ze kijken nu om deze strategie te repliceren voor herbruikbare raketten.

Gezien de bestaande cashflow uit satellietproductie & de Electron-successen, is Rocket Lab een goede kandidaat om SpaceX in te halen, althans tot massadrivers en andere infrastructuren over enkele decennia zijn gebouwd.

2. Virgin Galactic

Het bedrijf werd opgericht door Richard Branson en richt zich op ruimtetoerisme.

De tickets liggen in de range van $250.000-450.000, met een lange wachtlijst. De eerste klanten lijken extatisch over hun ervaring:

“Ik wist altijd dat het de meest buitengewone ervaring van mijn leven zou worden. Ik wist dat. En mensen vertelden me dat het zou worden. Maar toen het is… en het is op een ander niveau dan de ervaring die je dacht te gaan hebben… dan is het heel moeilijk uit te leggen.”

“Dit is de beste dag van mijn leven geweest, de meest sensationele dag van mijn leven. En je kunt niet beter dan dit krijgen. Het overtrof mijn wildste dromen.”

Virgin Galactic (SPCE ) werkt aan het verbeteren van zijn eenheidseconomie, met een nieuw lanceersysteem, de “Delta”, die 6 passagiers kan vervoeren in plaats van 4, en 8 vluchten per maand kan uitvoeren in plaats van slechts één.

Samen zouden deze 2 verbeterde metrics de omzet per eenheid met 12x moeten verhogen, met een terugverdientijd van minder dan 6 maanden voor elke Delta-shuttle. De Delta-vluchttest wordt verwacht midden 2025.

Bron: Virgin Galactic

Markten waren bezorgd toen werd aangekondigd dat Branson niet verder zou investeren in Virgin Galactic. Vooral na het ontslag van 185 werknemers en een pauze van ruimtereizen in 2024, om te wachten op de aankomst van de Delta-shuttle en de cash burn-snelheid te verminderen.

Desondanks wordt voorspeld dat Virgin Galactic genoeg cash heeft om te opereren tot 2025 of 2026. Dus als de ontwikkeling van het Delta-vluchtsysteem soepel verloopt (een riskante propositie in de lucht- en ruimtevaartindustrie), zou het bedrijf zich moeten kunnen concentreren op het herstarten en laten groeien van de cashflow, met een systeem dat winstgevend is per eenheid. En het bedrijf in 2026 cashflow positief maken.

Bron: Virgin Galactic

(Het moet worden opgemerkt dat Virgin Galactic anders is dan Virgin Orbit. Virgin Orbit vroeg in april 2023 faillissement aan en leverde lanceerdiensten voor kleine satellieten, met Rocket Lab die de Long Beach-faciliteit, productie- en gereedschapsactiva van het bedrijf overnam).

Het recente faillissement van Virgin Orbit en de afstand die oprichter Richard Branson heeft genomen van Virgin Galactic heeft het imago van het bedrijf bij investeerders beschadigd, wat heeft geleid tot een kelderende aandelenkoers in 2023 en 2024.

Voorzichtigheid met betrekking tot het aandeel zelf wordt sterk aanbevolen.

Tegelijkertijd tonen de tevredenheid van eerdere klanten, een duidelijk plan voor een winstgevend ontwerp (Delta-shuttles), en een lange wachtlijst van potentiële klanten aan dat het bedrijf nog steeds levensvatbaar kan zijn, zelfs zonder extra fondsen te werven.

Zolang het de Delta-klasse shuttle snel genoeg kan laten vliegen. Tot nu toe, is de fabriek om Delta te bouwen voltooid, en de bouw zou in Q1 2025 moeten beginnen.

Veel zal afhangen van het succes van de ontwikkeling, productie en exploitatie van de Delta-shuttle en het behalen ervan vóór het einde van 2025.

Als dit het geval is, zou de veel lagere waardering een kans creëren voor investeerders om aandelen van het bedrijf met korting te kopen.