De RD-180 is opmerkelijk, niet alleen vanwege de geopolitieke eigenaardigheden van zijn opkomst, maar ook omdat het in veel opzichten gewoon beter was dan elke andere raketmotor van zijn tijd. Toen Elon Musk in februari 2019 een succesvolle test aankondigde van SpaceX’s Raptor-motor, die bedoeld is om de volgende generatie raket Starship van het bedrijf aan te drijven, schepte hij op over de hoge druk die in de stuwkrachtkamer van de Raptor werd bereikt: meer dan 265 keer de atmosferische druk op zeeniveau. Raptor, zei hij op Twitter, had het record overtroffen dat enkele decennia in handen was geweest van de “ontzagwekkende Russische RD-180.”

Nadat Rusland in 2014 de Krim annexeerde, waren de dagen van de RD-180 als een hoofdbestanddeel van de Amerikaanse raketten geteld. Defensie haviken waren al lang ongemakkelijk met de regeling, maar de motor was zowel zeer goed en, gezien zijn vermogen, goedkoop – en dus bleef het. Maar naarmate de relaties met Rusland verslechterden, slaagden tegenstanders van de motor, aangevoerd door Senator John McCain, erin een verbod op het gebruik van de motor in Amerikaanse raketten na eind 2022 erdoor te krijgen. Dit heeft de luchtmacht gedwongen om een nieuwe raket te vinden om de RD-180-aangedreven Atlas 5 op te volgen.

Dit alles roept een vraag op: Hoe is een tientallen jaren oude Russische motor de maatstaf geworden waaraan Amerika’s beste raketwetenschappers zich meten?

Als je wilt begrijpen wat de RD-180 tot zo’n goede motor heeft gemaakt, helpt het om te begrijpen dat er heel wat handwerk aan te pas komt. Hoewel honderden mensen aan raketmotoren werken, is het van vitaal belang dat iemand met een instinct voor een goed ontwerp de leiding heeft: de afwegingen zijn te complex om ze met brute kracht of door een commissie uit te zoeken. In het geval van de RD-180, was dat Valentin Glushko.

Nadat de USSR verloor van Amerika in de race naar de maan, werd het ontwerpen van de best mogelijke raketmotor “een nationale prioriteit,” volgens Vadim Lukashevich, een ruimtevaartingenieur en Russisch ruimtevaarthistoricus. De Sovjetleiders wilden ’s werelds krachtigste raket bouwen, de Energia, om hun ruimtestations in een baan om de aarde te houden en om de Buran op te tillen, een toekomstige Russische spaceshuttle. Glushko kreeg de middelen om de beste motor te bouwen die hij kon, en hij was goed in het bouwen van motoren. Het resultaat was de RD-170, de oudere broer van de RD-180.

De RD-170 was een van de eerste raketmotoren die gebruik maakten van een techniek die staged combustion werd genoemd. De hoofdmotor van het Amerikaanse ruimteveer, eveneens ontwikkeld in de jaren zeventig, was een andere. De F-1 motoren in de eerste trap van de Saturnus V raket, waarmee de Apollo naar de maan werd gelanceerd, waren daarentegen van een ouder, eenvoudiger ontwerp, de zogenaamde gas-generatormotor. Het belangrijkste verschil: motoren met gefaseerde verbranding kunnen efficiënter zijn, maar ze lopen een groter risico te exploderen. Zoals William Anderson, die raketmotoren op vloeibare brandstof bestudeert aan de Purdue University, uitlegt: “De snelheid waarmee energie vrijkomt is gewoon extreem.” Volgens Anderson is er een zeer scherpzinnig iemand voor nodig om te begrijpen wat er allemaal gebeurt in de verbrandingskamers van raketmotoren. In Rusland was Glushko die scherpzinnige persoon.

“Er was zoveel geïnvesteerd in de shuttle dat niemand bij NASA wilde praten over de ontwikkeling van een zuurstofrijke motor met gefaseerde verbranding … Zuurstof verbrandt de meeste dingen als je er een vonkje voor geeft.”

Om te begrijpen waarom Glushko’s motoren zo’n technische prestatie waren, moeten we een beetje technisch worden.

Er zijn twee belangrijke maatstaven voor de prestaties van een raket: stuwkracht, of de hoeveelheid kracht die een raket uitoefent, en specifieke impuls, een maatstaf voor hoe efficiënt de raket zijn stuwstoffen gebruikt. Een raket met een hoge stuwkracht maar een lage specifieke impuls zal geen baan bereiken – hij zou zoveel brandstof moeten vervoeren dat het gewicht van de brandstof meer brandstof nodig zou maken, enzovoort. Omgekeerd zou een raket met een hoge specifieke impuls maar een lage stuwkracht nooit de grond verlaten. (Dergelijke raketten werken goed in de ruimte, hoewel, waar een gestage duw voldoende is.)

Een raketmotor, net als een straalmotor in een vliegtuig, verbrandt brandstof samen met een oxidatiemiddel – vaak zuurstof – om heet gas te creëren dat naar beneden en uit de straalpijp van de motor expandeert, waardoor de motor in de andere richting versnelt. In tegenstelling tot straalmotoren, die zuurstof uit de lucht om zich heen krijgen, moeten raketten hun eigen zuurstof (of een ander oxidatiemiddel) bij zich hebben, omdat die er in de ruimte natuurlijk niet is. Net als straalmotoren hebben raketten een manier nodig om de brandstof en zuurstof onder hoge druk in de verbrandingskamer te krijgen; als alle andere factoren gelijk zijn, betekent een hogere druk betere prestaties. Om dat te doen, gebruiken raketten turbopompen die met honderden omwentelingen per seconde ronddraaien. De turbopompen worden aangedreven door turbines, en die worden op hun beurt weer aangedreven door voorbranders, die eveneens wat brandstof en zuurstof verbranden.

Het cruciale verschil tussen motoren met gefaseerde verbranding zoals de RD-180 en gas-generatormotoren zoals de F-1 van Saturnus ligt in wat er met de uitlaat van die voorbranders gebeurt. Terwijl gas-generatormotoren deze overboord gooien, injecteren motoren met gefaseerde verbranding deze opnieuw in de hoofdverbrandingskamer. Eén reden om dit te doen is dat de uitlaat ongebruikte brandstof en zuurstof bevat – de voorverbranders kunnen het niet allemaal verbranden. Het weggooien ervan is verspilling, wat belangrijk is in een raket die ook elke pond brandstof en zuurstof moet tillen die hij gaat gebruiken. Maar het herinjecteren van de uitlaatgassen brengt een delicaat evenwicht met zich mee tussen de relevante druk- en stroomsnelheden, zodat de motoren niet ontploffen. Er is een hele reeks turbopompen nodig om het te laten werken. Teams van experts hebben meestal tien jaar of meer simulatie en testen nodig om uit te vinden hoe het goed moet.

De RD-170 en RD-180 hebben nog een voordeel. Ze zijn zuurstofrijk, wat precies betekent waar het op lijkt: ze injecteren extra zuurstof in het systeem. (De hoofdmotor van het ruimteveer is daarentegen een brandstofrijke motor.) Zuurstofrijke motoren hebben de neiging schoner te branden en gemakkelijker te ontbranden. Ze maken ook een hogere verbrandingskamerdruk mogelijk, en dus betere prestaties – maar ze zijn vatbaarder voor ontploffing, zodat er decennia lang geen grote inspanningen zijn geleverd om ze in de VS te laten werken. “Er was zoveel geïnvesteerd in de shuttle dat niemand bij NASA wilde praten over het ontwikkelen van een zuurstofrijke motor met gefaseerde verbranding,” zegt Anderson. “Zuurstof zal de meeste dingen verbranden als je een vonk geeft.” Dit vereist grote zorgvuldigheid in de materialen die worden gebruikt om de motor te bouwen, en nog grotere zorgvuldigheid om ervoor te zorgen dat er nooit vreemde materialen – zoals metaalresten – in terechtkomen. “Hoe meer we leren over de fysica van wat er in een verbrandingskamer gebeurt, hoe meer we ons realiseren hoe onstabiel het eigenlijk is,” zegt Anderson.

Als de RD-170 aantoonbaar de beste raketmotor van zijn generatie was, was de hoofdmotor van de space shuttle aantoonbaar de op een na beste (en was aanzienlijk duurder om te maken). Geen van beide maakte zijn potentieel waar. De space shuttle-motor zat opgescheept met een citroen van een voertuig, dat veel logger was dan de ontwerpers hadden gehoopt dat het zou zijn. De RD-170 daarentegen vloog slechts tweemaal: eenmaal in 1987 en eenmaal in 1988. Hoewel de ontwikkeling ervan een nationale prioriteit was geweest, stond de Sovjet-Unie op het punt uiteen te vallen tegen de tijd dat Glushko bewees dat het werkte.

De jaren ’90 waren een turbulente tijd in Rusland, vooral voor het ruimtevaartprogramma. Om zonder overheidsfinanciering te overleven, wendden pas geprivatiseerde lucht- en ruimtevaartbedrijven zich tot de commerciële markt.

Daarop verhuisde Jim Sackett, een ingenieur die voor Lockheed had gewerkt in het Johnson Space Center van NASA in Houston, naar Moskou. Lockheed raakte geïnteresseerd in het gebruik van zuurstofrijke stapsgewijze verbranding voor de volgende generatie Atlas-raketten, waarmee het wilde meedingen naar contracten van de luchtmacht en de NASA.

Sackett, die de leiding kreeg over Lockheeds kantoor in Moskou, werd aangetrokken om Energomash te benaderen, een post-Sovjet bedrijf in de ruimtevaartindustrie dat eigenaar was geworden van de RD-170 en aanverwante motortechnologie. Energomash verwelkomde enthousiast Lockheed’s interesse. Maar de RD-170 was te krachtig: de Atlas raketten die Lockheed de ruimte in wilde sturen waren aanzienlijk kleiner dan de Energia, waarvoor de RD-170 was ontworpen. Dus hakte Energomash de motor in tweeën – de firma stelde een voorstel op voor een tweekamer-afgeleide van de vierkamer RD-170 die in de Atlas kon worden gebruikt. Dit was de geboorte van de RD-180.

De relatie vereiste een opmerkelijke integratie tussen Russische en Amerikaanse militair-industriële aannemers. Lockheed zette een kantoor op bij Energomash, in een buitenwijk van Moskou. Het was een enorme operatie, herinnert Sackett zich. “Ze hebben daar een metallurgische fabriek, dus ze smeden hun eigen metalen,” zegt hij. “Ze hebben al hun eigen machinewerkplaatsen, al hun eigen testfaciliteiten. Het is een heleboel spul, allemaal onder één dak. En uiteindelijk wordt het allemaal een raketmotor.”

Het kostte ongeveer een jaar van dagelijkse, diepgaande technische vergaderingen tussen Sackett’s team en Energomash executives en ingenieurs om te begrijpen of de voorgestelde aankopen van RD-180-motoren zouden werken of niet. Lockheed wilde een kleine, vrijblijvende deal. Energomash streefde naar een regeling op lange termijn. Het contract werd getekend aan het eind van een marathon sessie van zes uur in 1996, aldus Sackett. Het resultaat: een deal van 101 motoren en miljarden dollars. De Amerikaanse luchtmacht, Lockheed’s belangrijkste klant, eiste toegang tot 10 sleuteltechnologieën die nodig zijn om de RD-180 te produceren, voor het geval de relatie met Rusland ooit zou stranden en Amerika de motoren zelf zou moeten maken. Het was een grote vraag. De VS waren uit op een kroonjuweel van de Sovjet-ruimtevaarttechnologie, en de Russische regering was er niet blij mee. “Maar ze zagen geen alternatief,” zegt Sackett, “omdat het land niet alleen van gedachten veranderde, ze gingen failliet. Ze gingen gewoon failliet. Zo hebben ze het bedrijf gered.”

Hoewel er meer aandacht is besteed aan de Amerikaans-Russische samenwerking op het gebied van het Internationale Ruimtestation, ging de RD-180 samenwerking in veel opzichten dieper. Het ruimtestation is immers niet van cruciaal belang voor de nationale veiligheid van beide landen, terwijl verkennings- en communicatiesatellieten dat wel zijn.

Nu de betrekkingen tussen de twee landen zijn verslechterd, stelt Sackett, zouden de VS de RD-180 gewoon in eigen land kunnen fabriceren. De critici van de motor zeggen dat het astronomisch duur zou zijn om dat te doen. Maar de kosten “zouden niet astronomisch moeten zijn!” zegt Sackett. “We hebben hier slimme mensen, en we hebben het recept! Dit is precies waarom we die 10 belangrijkste fabricagetechnologieën hebben geïdentificeerd en onderhandeld, zodat we de tekeningen en de notities kunnen nemen en ze vervolgens kunnen gaan bouwen.”

Dat zal waarschijnlijk niet gebeuren, deels omdat Amerikaanse bedrijven na tientallen jaren van stagnatie eindelijk werken aan motoren die gewoon beter zouden kunnen zijn dan de RD-180.

De prestaties van een motor hebben grote invloed op het ontwerp van de raket die erboven zit. Dus toen het Congres de luchtmacht opdroeg te stoppen met het gebruik van de RD-180, lokte dit een wedstrijd uit, niet alleen voor een nieuwe motor, maar voor een geheel nieuwe raket. Zo’n wedstrijd was onvermijdelijk – ontwerpen blijven tenslotte niet eeuwig bestaan. Maar omdat het ontwerpen van nieuwe motoren en raketten duur en tijdrovend is, is de timing voor het maken van een omschakeling altijd politiek omstreden. Het door het congres opgelegde verbod op RD-180 dwong de kwestie af.

Er zijn vier serieuze mededingers om die nieuwe raket te bouwen: SpaceX, Blue Origin, de United Launch Alliance (een joint venture van Boeing en Lockheed Martin, bekend onder de initialen, ULA), en Northrop Grumman. Twee van hen zullen worden gekozen, op grond van de theorie dat twee winnaars een voortdurende concurrentie creëren, terwijl het benoemen van één zou resulteren in een monopolie dat vervolgens zou kunnen omkeren en de luchtmacht zou kunnen uitbuiten. Duizenden banen staan op het spel: als ULA verliest, kan het failliet gaan.

The New Glenn, Blue Origin’s inzending in de competitie, maakt gebruik van de BE-4, Blue Origin’s nieuwste en krachtigste motor. (Net als de raket van ULA – beide bedrijven zijn tegelijkertijd concurrenten en zakenpartners). De ontwerpen van zowel de BE-4 als SpaceX’s Raptor zijn op cruciale manieren beïnvloed door de RD-180. De BE-4 is een zuurstofrijke motor met gefaseerde verbranding, zoals de RD-170 en RD-180. De Raptor lijkt op de RD-180 doordat de uitlaat van de voorverbrander in de verbrandingskamer wordt gevoerd, zodat bijna alle brandstof en oxidatiemiddel in de tanks van de raket worden gebruikt om stuwkracht op te wekken. De Raptor maakt echter gebruik van een aanpassing van Glushko’s benadering: zowel brandstofrijke als oxidatierijke stromen drijven de turbopompen aan, wat in theorie resulteert in een maximale efficiëntie.

In zekere zin zijn de BE-4 en de Raptor als een poging om een betere viool te bouwen dan Stradivarius deed, met behulp van moderne methoden. Blue Origin en SpaceX hebben toegang tot betere diagnoses en verfijndere simulatietechnieken dan Glushko had. Ze hebben ook een ander ontwerpkenmerk dat belangrijk is voor de Amerikaanse luchtmacht: ze zijn gemaakt in de VS.

Mogelijk het grootste technische voordeel dat deze nieuwe motoren hebben ten opzichte van de RD-180 is dat ze methaan gebruiken als brandstof in plaats van kerosine, zoals de RD-180 doet. Kerosine kan de werking van een motor na herhaaldelijk gebruik verstoren. Methaan heeft een hogere specifieke impuls, en brandt schoner. Het is ook veel gemakkelijker (in principe) te synthetiseren op Mars, wat Musk van plan is te doen.

Geen van beide nieuwe motoren heeft nog een baan om de aarde bereikt. SpaceX plant testvluchten van zijn Starhopper-raket, die uiteindelijk zal worden aangedreven door drie Raptors, voor deze zomer. Deze vluchten zullen korte hops zijn, een paar duizend voet in de lucht boven SpaceX’s testlocatie in Texas. Blue Origin test ook de BE-4 in Texas, en is begonnen met de bouw van een fabriek in Alabama waar het de motoren zal fabriceren. Het heeft Launch Complex 36, waar de RD-180 voor het eerst vloog, gehuurd van de luchtmacht en is van plan om de New Glenn daar in 2021 te lanceren.

Energomash, ondertussen, hoopt wanhopig dat het Russische ruimtevaartprogramma zijn motoren weer zal gaan gebruiken. Ongeveer 90% van zijn productie is de afgelopen jaren naar de VS gegaan, zegt Pavel Luzin, een analist van de Russische ruimtevaartindustrie. Net als zijn Amerikaanse tegenhangers, loopt Energomash nu het risico verouderd te worden door Musk en Bezos – die, met hun vrijheid van oude ontwerpbeperkingen en bereidheid om geld uit te geven en risico’s te nemen, het ontwerp van raketmotoren eindelijk uit decennia van stilstand hebben gehaald.