Negatiivinen sähköpurje

Sähköpurjekolumni 8.10.2008

Alkuperäinen sähköpurje perustuu positiivisesti varattuihin liekoihin. Lieat voisi varata myös negatiivisesti, jolloin ne vetäisivät aurinkotuulen protoneja puoleensa. Protonit muuttaisivat suuntaansa liean sähkökentässä, jolloin syntyisi samantapainen sähköpurje-efekti kuin positiivisenkin liean tapauksessa. Negatiivisen sähköpurjeen mahdollisuus on ollut tiedossa alusta alkaen, mutta suhtauduin siihen nuivasti koska siinä on monia hankaluuksia.

Nyt kuitenkin on käynyt ilmi että negatiivinen sähköpurje saattaisi tuottaa suuremman voiman per liean pituusyksikkö kuin positiivinen. Syynä tähän on se että ionit eivät juurikaan voi jäädä vangiksi liean sähkökenttään silloin kun kenttää kasvatetaan, koska aurinkotuulessa ei ole juuri lainkaan hitaita ioneja. Tällöin liekaa ympäröivä ionipilvi ei ole sen tiheämpi kuin ympäröivä aurinkotuuliplasmakaan, minkä takia pilven aiheuttama sähköinen varjostus vaimentaa liean sähkökentän vasta kauempana.

Mitä sitten ovat negatiivisen sähköpurjeen ongelmat?  Negatiivisen jännitteen ylläpitämiseen tarvitaan ionitykki, mikä on monimutkaisempi laite kuin elektronitykki. Ionit pitää luoda ionisoimalla esimerkiksi jotakin jalokaasua, jota kuluu prosessissa. Auringon UV-säteily irrottaa lieoista elektroneja (valosähköinen ilmiö). Niiden pois kuljettama varaus pitää sekin kompensoida ionitykillä. Langan pinnan voimakas sähkökenttä saattaa pystyä repimään elektroneja irti langasta (kenttäemissio).

Tällä hetkellä näyttäisi mahdolliselta että kaikki nämä ongelmat ovat kuitenkin periaatteessa ratkeavia. Ionitykki voidaan rakentaa, eikä ionien luomiseen kulu liikaa ainetta. Valosähköinen elektronivirta ei ole liian suuri tykillä kompensoitavaksi. Liean pinnalla vallitseva kenttä voidaan saada kohtuulliseksi käyttämällä liekana monesta langasta kudottua putkimaista verkkosukkaa.

Aika näyttää pystyykö negatiivinen sähköpurje kilpailemaan alkuperäistä positiivisesti varattuihin lankoihin perustuvan sähköpurjeen kanssa.  Voisi myös ajatella hybridipurjetta, joka sisältäisi liekojen lisäksi elektroni- ja ionitykin. Moottoria voisi silloin ajaa jopa kolmessa moodissa. Elektronitykki päällä se olisi tavallinen positiivinen sähköpurje, ionitykki päällä negatiivinen sähköpurje ja molemmat tykit päällä se olisi ionimoottori jolla voisi radan sopivissa kohdissa antaa potkua myös Auringon suuntaan. Teoriassa negatiivinen sähköpurje olisi parempi lähellä aurinkoa ja positiivinen taas kaukana auringosta, joten menetelmien yhdistely saattaisi olla järkevää.

Pekka Janhunen

Fermin paradoksi

Avaruusluotaimen kuvitusta, Evoluutio by Esko Heikkilä

Jatkopohdintoja Avaruusluotaimessa 3/2008 olleeseen Saara Reimanin filosofia-artikkeliin Fermin paradoksista, eli miksi Maan ulkopuolinen maailmankaikkeus vaikuttaa elottomalta vaikka Maa ja aurinkokunta muuten tuntuu olevan melko tavallinen paikka.

Saara Reiman pohti mm. kysymystä millä todennäköisyydellä esitumallinen (prokaryoottinen) elämä voi kehittyä ajan mittaan ihmisen tapaiseksi ajattelevaksi ja teknologiseksi elämäksi. Välissähän on monta askelta: esitumallisesta aitotumallinen, aitotumallisesta monisoluinen eläin, eläimestä poikasiaan hoitava nisäkäs, nisäkkäästä aivoja tarvitseva kiipeilevä kädellinen, kädellisestä savannilla kävelevä ihminen, ihmisestä maanviljelijä, maanviljelijästä insinööri.

Tarvitaan tosiaankin monta askelta ennen kuin bakteerista syntyy älykäs olento. Kuitenkin olisin valmis väittämään että kyseessä saattaa sittenkin olla luonnollinen tapahtumasarja, jonka mikään askel ei ole erityisen epätodennäköinen.

Tarkastellaan monisoluisen elämän syntymistä yksisoluisesta. Miksi monisoluinen elämä ilmaantui yhtäkkiä noin 650 miljoonaa vuotta sitten? Onko tälle kambrikauden räjähdyksenä tunnetulle tapahtumalle helppoja, luonnollisia selityksiä?

Avaruusluotaimen kuvitusta, Evoluutio by Esko Heikkilä

Tähdet kirkastuvat vanhetessaan ja niin tekee myös Aurinko, jonka valo voimistuu noin prosentin sadassa miljoonassa vuodessa. Kirkastuminen pyrkii lämmittämään maapalloa, mutta koska ilmakehän hiilidioksidia karbonoituu tulivuorista purkautuneisiin silikaattikiviin sitä nopeammin mitä kosteampaa ja kuumempaa on, päiväntasaajaseudun lämpötila pyrkii pysymään vakiona. Tämä noin 30 vuotta sitten keksitty termostaattimekanismi toimii noin miljoona vuotta ja sitä pitemmissä ajanjaksoissa. Esimerkiksi 1-2 miljardia vuotta sitten aurinko oli 10-20 % nykyistä himmeämpi, päiväntasaaja suunnilleen yhtä lämmin kuin nykyään, mutta hiilidioksidin ja mahdollisesti metaanin aiheuttama kasvihuoneilmiö paljon nykyistä vahvempi. Napa-alueetkin olivat kasvihuoneilmiön takia jäättömiä ja ilmasto kaikkiaan nykyistä tasaisempi. Paradoksaalista kyllä, himmeämmän auringon aikana keskilämpötila oli siis nykyistä korkeampi. Ympäristö ylläpiti yksisoluista elämää, mutta ei tasaisuutensa takia suosinut sen eriytymistä eikä runsastumista, koska meret olivat lämpötilakerrostuneita ja siksi pintaosiltaan ravinneköyhiä. Tilanne muuttui noin miljardi vuotta sitten. Tällöin kasvihuoneilmiö oli heikentynyt riittävästi jotta napajäätiköt ja arktinen merijää saattoivat muodostua. Kylmät meret ovat ravinteikkaita, koska liki tasalämpöinen, nolla-asteinen vesi sekoittuu herkästi pystysuunnassa lämpötilaerojen puuttuessa. Nykyäänkin arktiset merialueet ovat runsastuottoisia, kuten kalastajat ja valaanpyytäjät tietävät. Ravinteisuuden takia planktonlevien kasvu tehostui ja ne tuottivat ilmakehään happea sitä mukaa kun levien sitomaa orgaanista hiiltä hautautui meren pohjaan. Aluksi happi sitoutui kivilajeihin, mutta kun tämä puskuri oli käytetty, lopulta noin 700 miljoonaa vuotta sitten ylijäämähappea alkoi kertyä ilmakehään. Tämän jälkeen vain noin 30 miljoonan vuoden viiveellä ensimmäiset monisoluiset eliöt ilmestyivät meriin.

Yksinkertainen monisoluinen eliö on pelkkä soluterttu, joka hengittää diffuusion avulla ja pystyy siksi kilpailemaan yksisoluisia eliöitä vastaan vain runsashappisessa ympäristössä. Kerran synnyttyään monisoluiset eliöt pystyivät kuitenkin kehittämään mm. verenkierron, jonka avulla ne selviytyvät muuallakin. Ne oppivat myös liikkumaan ja alkoivat myllätä meren pohjassa sekoittaen pohjasedimenttiä ja nopeuttaen sen biologista hajoamista. Tämä vähensi hiilen hautautumista ja nosti ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta jonkin verran, mikä teki ilmastosta nykyisen kaltaisen. Lämmennyt ilmasto saattoi hieman vähentää ilmakehän ja varsinkin merien pintaosien happipitoisuutta, mutta tällä ei ollut enää monisoluisten eliöiden kannalta ratkaisevaa merkitystä, koska ne olivat jo oppineet selviytymään monenlaisissa oloissa yksisoluisiin eliöihin nähden monessa mielessä ylivoimaisten kykyjensä turvin. Näin oli päädytty tylsästä, tasaisen lämpimästä ja yksisoluisten eliöiden asuttamasta planeetasta kylmien välivaiheiden kautta nykyisenkaltaiseen hapekkaaseen maailmaan, jota hallitsevat monisoluisen eliöt. Prosessi oli monivaiheinen, mutta sen tahdin määräsi yksinkertainen fysikaalinen ilmiö eli keskustähden kirkastuminen.

Monisoluinen elämä siis näytti syntyneen heti kun tietty välttämätön ehto (riittävä happipitoisuus) täyttyi, eli välttämätön ehto näytti olleen myös riittävä. Riittävä happipitoisuus puolestaan syntyi kun happea tuottavat levät olivat eläneet riittävän pitkään ja riittävän runsaina. Levien kasvua puolestaan oli edesauttanut napa-alueiden ilmaston kylmeneminen joka hieman paradoksaalisesti oli johtunut Auringon luonnollisesta kirkastumisesta. Jään ja lumen valkoisuus vahvisti kylmenemistä siten että neoproterotsooisena aikana 700-900 miljoonaa vuotta sitten, riippuen mannerten kulloisestakin asennosta, jäätiköt saattoivat ajoittain ulottua jopa kääntöpiireille asti tai vieläkin alemmas.

Kun keskustähti kirkastuu, hiilidioksidin ja silikaattikivien termostaatti siis huolehtii siitä että kasvihuoneilmiö vähenee ja napa-alueet viilenevät. Toisaalta sitten kun kirkastuminen on edennyt riittävän pitkälle, hiilidioksidin aiheuttama kasvihuoneilmiö menettää merkityksensä ja planeetta napa-alueineen alkaa lämmetä. Olemme juuri nyt lähellä taitekohtaa jossa kokonaisvaltainen lämpeneminen on alkamassa (tässä "lähellä" tarkoittaa vähemmän kuin suunnilleen sadan miljoonan vuoden päässä suuntaan tai toiseen). Ilman jonkin teknologisen lajin puuttumista asiaan, ehkä noin puolen miljardin vuoden kuluttua maapallo on lämmennyt niin paljon että monisoluisilla eläimillä alkaa olla tukalaa.

Liian kuumassa on tukalaa. Piirros: Esko, 'Eksa', Heikkilä

Ihminen siis ilmestyi maapallolle noin 650 miljoonan vuoden kuluttua monisoluisen elämän syntymisestä, ja monisoluisilla eläimillä on vielä suunnilleen toinen mokoma aikaa ennen kuin kirkastuva aurinko tekee planeetasta niille liian kuuman. Teknologinen laji – ihminen - ei siis syntynyt viime hetkellä, vaan suunnilleen puolessa välissä sopivaa aikaikkunaa eli monisoluisten eläinten aikaa, joka puolestaan näytti alkaneen auringon kirkastumisen tahdittamana. Tämä on olennainen tieto arvioitaessa älyn kehityksen todennäköisyyttä. Jos asteroidi ei olisi tuhonnut dinosauruksia ja raivannut tilaa nisäkkäille, kädelliset ja ihminen eivät olisi syntyneet, mutta luonnolla olisi ollut aikaa yrittää muita reittejä noin kymmenkertaisesti se aika joka kului nisäkkäiden noususta (65 miljoonaa vuotta sitten) ihmisen syntyyn. On esitetty että Intian törmääminen Aasian mantereeseen ja tehokkaasti yhteyttävien piilevien synty monimutkaisten mekanismien kautta aiheuttivat nykyiset jääkaudet ja saivat ehkä ihmisen esi-isät siirtymään harvenneista metsistä savannille kävelemään. Mutta taaskin, jääkaudet eivät ole kovin harvinaisia ja niitä oli ollut aiemminkin, ja aikaa olisi luultavasti ollut jäljellä vielä paljon muiden reittien kokeilemiseen.

Mitä lähemmäs nykyaikaa tulemme, sitä lyhyemmistä ajanjaksoista puhumme. Ihmislaji syntyi noin 100,000 vuotta sitten ja tyypillisen nisäkäslajin elinaika joitakin miljoonia vuosia. Maanviljelyskulttuuri syntyi noin 10,000 vuotta sitten eli 90,000 vuotta lajin syntymisen jälkeen. Kulttuuri ja yhteiskunta syntyivät siis paljon nopeammin kuin kädellislajin tyypillinen jäljellä oleva elinaika. Avaruustekniikka syntyi 10,000 vuotta kulttuurin synnyn jälkeen, mikä on lyhyt aika verrattuna verrattuna mihin tahansa muuhun. Kaikilla tai ainakin useimmilla tasoilla näyttäisi tulevan sama tulos: viimeinen hetki ei ollut lähellä lyödä, aikaa löytää muita ratkaisuja olisi ollut moninkertaisesti siihen nähden mitä luonto tarvitsi tuottaakseen ihmisen kulttuureineen. Mutta näitä aikalisiä ei tarvittu, koska kulttuuri-ihmiseen johtanut kehityspolku oli jo toteutunut.

Jos tämä tuntuu turhan ihmiskeskeiseltä (evoluutiohan etenee periaatteessa ”sokeasti” ilman päämäärää), on syytä huomauttaa että samassa mielessä kuin Suomen turvallisuuspolitiikan haasteet ehkä ovat Venäjä, Venäjä ja Venäjä, nykyään biosfäärin tärkeimmät turvallisuuspoliittiset kysymykset liittyvät ihmiseen, ihmiseen ja ihmiseen. Ihminen on tärkeä koko planeetalle, ei vain ihmiselle itselleen. Kulttuuri-ihmisen synty oli valtava, äkillinen ja raju tapahtuma, johon sisältyy elämän kehityksen kannalta suunnattomia uhkia ja mahdollisuuksia. Kuka olisi vain miljoona vuotta sitten voinut aavistaa, että savannin ruohosta nousee suuri metsästäjä, jonka pojat haluavat kokea kaiken, oppia kaiken, rakentaa kaiken ja tallentaa kaiken jälkipolville. Eivätkä vain halua, vaan tekevät myös, flight-proven, TRL-tasolla seitsemän, im siebenten Himmel der Technologie. Vain ihminen voi poistaa Damokleen miekat eli tappaja-asteroidit elämän yltä. Ihminen saattaa rötöstellä, mutta positiivisten mahdollisuuksiensa takia saa myös paljon anteeksi. Dramaattisuudessaan kulttuuri-ihmisen synty on verrattavissa vain itse elämän syntyyn ja ehkä edellä mainittuun kambrikauden räjähdykseen eli monisoluisten eliöiden nousuun.

Tämän valossa näyttäisi mahdolliselta, että polku bakteerista kulttuuriolentoon saattaa olla monipolvisuudestaan huolimatta melko todennäköinen. Sen sijaan elämän synty itsessään on edelleen arvoitus. Yksinkertaisinkin esitumallinen eliö on niin monimutkainen, että sen syntyminen molekyylien sattumanvaraisen kombinaation kautta ilman kehityspolkua on äärettömän epätodennäköistä. Meillä on vain epäsuoria viitteitä siitä millaiset yksinkertaisemmat kantamuodot olivat saattaneet edeltää tuntemiamme yksinkertaisimpia esitumallisia soluja. Tämä oletettu kantamuotojen ketju on kaiketi kokonaan hävinnyt, todennäköisesti siksi että kantamuodot ovat kerta kaikkiaan hävinneet kilpailun nykyisille arkkieliöille ja bakteereille jotka ovat tunkeutuneet biosfäärin joka kolkkaan. Hävinnyt kantamuotojen ketju saattaa olla hyvin pitkä, sillä monimutkaisuudella mitattuna esitumallinen bakteeri on paljon lähempänä ihmistä kuin elotonta molekyyliä.

Kuvitus: Esko Heikkilä

Elämää oli maapallolla pian sen jälkeen kun planeetta oli syntynyt. Eikö tämän pitäisi merkitä sitä että myös elämän synty, vaikkemme sen yksityiskohtia tunnekaan, oli myös "helppo" tapahtuma? Ei välttämättä, sillä nuori planeetta kävi läpi kaikenlaisia kehitysvaiheita heti syntymänsä jälkeen. Koska emme tunne yksityiskohtia, emme tiedä miten tärkeitä nämä vaiheet olivat elämän synnylle. Jos ne olivat tärkeitä, elämä ei ehkä olisi voinut enää syntyä vanhemmalle planeetalle. Tilanne on loogisesti erilainen kuin esimerkiksi kambrikauden räjähdyksen yhteydessä, sillä siinä kriittinen parametri eli happipitoisuus säilyi korkeana jatkossakin.

Luotainten avulla voimme löytää muualla aurinkokunnassa lymyilevää elämää.
Piirros: Esko Heikkilä

Saara Reimanin kirjoitus loppuu toteamukseen jonka mukaan empiirisellä tutkimuksella on Fermin paradoksin selvittämisessä olennainen osa. Olen samaa mieltä. Erityisesti voimme päästä eteenpäin etsimällä elämää, vaikka kuinka yksinkertaistakin, luotainten avulla aurinkokunnasta sekä spektroskooppisilla ja muilla tähtitieteellisillä menetelmillä eksoplaneetoilta (luotainten lähettämistä muihin aurinkokuntiin saadaan vielä odottaa tovi). Vaikka miten yksinkertaisenkin elämän löytyminen osoittaisi että elämä ei ole tavattoman harvinaista, ja edellisen päättelyketjun nojalla silloin älykästäkin elämää voisi odottaa esiintyvän muuallakin. Jos taas elämää ei näillä menetelmillä löydy, eksoplaneettoja tutkimalla ehkä oivallamme selkeitä syitä niiden elottomuuteen, joita tulevaisuuden teoreetikot kenties kykenevät ekstrapoloimaan eteenpäin.

Pekka Janhunen