Kestävää ja laajaa avaruustoimintaa

Miten paljon avaruustoiminta saastuttaa? Voisiko sitä tehdä nykyistä puhtaammin? Jos jonain päivänä rakennetaan aurinkovoimasatelliitteja, tarvitaan paljon enemmän rakettilaukaisuja. Olisiko nykyistä tuhat kertaa laajempi avaruustoiminta ekologisesti kestävää?

Jos esimerkiksi rakennetaan aurinkovoimasatelliitteja, rakettilaukaisujen tahti voi kiihtyä nykyisestä sata- tai tuhatkertaiseksi, ja nykyiselläkin tahdilla avaruustoiminnan ekologista puolta kannattaa aika ajoin miettiä.

Kiinteän polttoaineen kantoraketeista pitäisi päästä eroon. Ne ovat vaarallisia tuottaa ja käsitellä ja ne tuottavat myrkyllisiä ja otsonikerrokselle haitallisia palamistuotteita kuten suolahappoa ja klooria. Kiinteiden rakettien ominaisimpulssi on myös nesteraketteja huonompi. Ne kannattaisi korvata hiilivetypolttoainetta käyttävillä uudelleenkäytettävillä vaiheilla. Alemman vaiheen muuttaminen uudelleenkäytettäväksi lopettaisi myös tarpeettoman merenpohjan roskaantumisen rakettiromusta.

Vaikka rakettilaukaisussa kerosiini palaa niin että näkyy ja tuntuu, laukaisujen hiilidioksidipäästö ei silti ole ilmaston kannalta merkittävä. Vaikka laukaisutahti olisi tuhatkertainen nykyiseen verrattuna, hiilidioksidia tulisi raketeista vain likimain saman verran kuin Suomen henkilöautoista. Kantorakettien hiilivetypolttoaineita ei siis kannata hyljeksiä, vaikka niiden korvaaminen nestevedyllä olisi toki mahdollista. Kussakin kantoraketissa valinta nestevedyn ja hiilivetyjen välillä kannattaa tehdä teknisten, taloudellisten ja turvallisuusasioiden perusteella, kuten tähänkin asti.

Soyuzin laukaisussa kerosiinia palaa niin että näkyy ja tuntuu. Lähde: Wikimedia

Ylempi rakettivaihe voisi tietysti olla myös uudelleenkäytettävä. Jos se kuitenkin on kertakäyttöinen, sen materiaaleihin kannattaa kiinnittää hieman huomiota. Vaiheen pitää hajota ja palaa ilmakehässä täydellisesti ja myrkyllisiä alkuaineita ja raskasmetalleja pitäisi välttää. Esimerkiksi alumiini, magnesium ja monet muut tavalliset aineet ovat palamistuotteiltaan siistejä. Ilmakehän aiheuttama kuumennus on etu, koska se hajottaa monet myrkylliset yhdisteet. Ylemmän vaiheen saaminen siistiksi ei liene vaikeaa, kunhan asia pidetään mielessä.

Miten sitten satelliitit kannattaisi nostaa lopulliselle radalleen ja käytön jälkeen sieltä pois? Perinteinen ratkaisu on hydratsiini-typpitetroksidimoottori, mutta molemmat aineet ovat hyvin myrkyllisiä. Myrkyllisyys ei tosin ole avaruudessa kovin iso ongelma, koska ainemäärät ovat vain pari prosenttia kantorakettien polttoainemääristä. Joskus tosin näkee pääteltävän virheellisesti että kunhan poltto tehdään ilmakehän ulkopuolella, pakokaasuilla ei olisi merkitystä. Yleensä pakosuihku kuitenkin putoaa suoraa päätä ilmakehään, koska se liikkuu 3-3.5 km/s hitaammin kuin itse alus.

Polttoaineen myrkyllisyys on joka tapauksessa ongelma Maassa, kun rakettimoottoria testataan. Ongelma on erityisesti hapetin: ei tunneta vaaratonta huoneenlämpöistä nestettä, joka olisi samalla tehokas hapetin. Väkevä vetyperoksidi täyttää vaatimukset muuten, mutta se räjähtää pienestäkin epäpuhtaudesta. Ilokaasu ei ole yhtä herkkää räjähtämään, mutta se on melko tehotonta. (Ilokaasua taidettiin pitää hyvin turvallisena, kunnes Burt Rutanin Scaled Composites -yrityksessä tapahtui vuonna 2007 räjähdys jossa kuoli kolme ihmistä.) Polttoaineiden puolella on enemmän valinnanvaraa, voitaisiin käyttää esimerkiksi alkoholeja tai kerosiinia. Hydratsiini-typpitetroksidiyhdistelmän tunnettu etu on hypergolisuus, eli aineet reagoivat aina kohdatessaan, joten moottori käynnistyy varmasti ja poksahtelematta. Rakettimoottorin sytytys voi olla joskus iso ongelma. Italialaiset alkoivat pari vuotta sitten kehittää vetyperoksidi-etaanimoottoria, mutta eivät saaneet sytytystä toimimaan. Vaikka vetyperoksidi on monopropellantti ja hajoaa katalyyttisihdin läpi suihkutettaessa hyvin kuumaksi vesihöyryksi ja hapeksi, etaanin ja hapen välinen reaktio ei silti käynnistynyt. Projekti on tällä hetkellä hyllytetty kunnes joku keksii ongelmaan ratkaisun.

Ionimoottoreiden yleisin ajoaine on jalokaasu ksenon, jonka käyttö ei ole kuitenkaan pitkän päälle mahdollista, koska aine on kovin harvinainen. Ksenonia saadaan vuodessa tietty määrä ilmantislauksen sivutuotteena. Enempää ksenonia ei voida saada, koska ilmaa ei kannata tislata pelkästään ksenonin takia. Ksenon pitää siis jossakin vaiheessa korvata argonilla, vedellä tai muulla riittävän yleisellä aineella. Yleisesti ottaen ionimoottoreiden kehitystyö on kallista, koska pitkät toiminta-ajat vaativat pitkiä testiajoja tyhjiökammiossa. Monen ionimoottorityypin suurin ongelma on ionipommituksen aiheuttama osien vähittäinen kuluminen.

Avaruussukkula Atlantis Xenon-valojen loisteessa. Lähde: Wikimedia

Sähköpurjeen EU-projektin yhtenä osaprojektina kehitetään sähköstaattisia FEEP-ionimoottoreita (Field EffectElectric Propulsion) kohti sarjatuotantoa. Pienet FEEP-moottorit ovat monessa mielessä ihanteellisia ainakin paperilla, vaikka satelliitin päämoottoriksi ne riittäisivät vain suurena joukkona. Sähköpurjeen FEEP-vaihtoehdossa jokaisen liean kärkeen tulevaan etäyksikköön asennettaisiin FEEP-moottori. Moottoreilla käynnistettäisiin liekojen pyöriminen ja voitaisiin tarvittaessa muuttaa pyörimisnopeutta lennonkin aikana. FEEP-moottoreiden ajoaineena on joko nestemäinen metalli (indium tai cesium) tai jokin synteettinen ionineste eli huoneenlämpötilassa nestemäinen suola.

 

Avaruusromu

Tulevaisuudessa satelliitit pitää avaruusromuongelman takia poistaa kiertoradalta käytön jälkeen. Nykyinen ”hautausmaaratojen” käyttö geostationaarisen radan yläpuolella ei ole kestävä ratkaisu, koska hautausmaaradallakin satelliittiromuihin osuu meteoroideja ja muita satelliitteja, jolloin ne pirstoutuvat ja haudantakainen porukka laajenee surmaten elävätkin satelliitit. Satelliitti voidaan poistaa joko palauttamalla suoraan ilmakehään tai nostamalla ulos Maan painovoimakentästä. Ulos viety satelliitti voidaan edelleen törmäyttää Maan ilmakehään tai Kuuhun tai se voidaan jättää kiertämään Aurinkoa. Jos ei haluta ottaa riskiä että se törmäisi myöhemmin Maahan, esimerkiksi sähköpurjeen antaman lisätyöntövoiman avulla se voitaisiin tupsauttaa vaikkapa Venuksen ilmakehään. Jos satelliitti aiotaan palauttaa tehtävän päätyttyä Maahan, myrkyllisiä aineita pitäisi välttää kuten kantoraketeissakin. Satelliitin aiottu loppusijoitustapa pitäisi siis ottaa huomioon jo satelliitin suunnittelussa.

Romuongelmasta huolimatta satelliitteja mahtuu taivaalle paljonkin, kunhan niiden käsketään väistää toisiaan, ohjauskyvyttömät satelliitit poistetaan ja rakenteissa otetaan huomioon pienten törmäysten sietokyky ja vältetään sirpaloituvia materiaaleja. Mitä nopeammin vanhoja satelliittiromuja aletaan hakea kiertoradalta alas, sitä vähemmän ehtii tulla sirpaleparvia tuottavia satelliittikolareita. Romuasian ikävä puoli on se että vihamielinen taho pystyy halutessaan tekemään paljon kiusaa itselleen ja muille avaruusromua tuottamalla. Tosin onhan maan päälläkin moinen mahdollista monella tavalla.

Goce-1 satelliitti. Kuva: ESA

Vuorenvarma tapa olla tuottamatta lisää kiertorataromua ja olla samanaikaisesti immuuni vanhalle romulle on lennättää satelliittia niin matalalla radalla, että radan ylläpito tarvitsee jatkuvaa ionimoottorin tai sähködynaamisen liean työntövoimaa, kuten ESA:nGoce-satelliitissa. Kun satelliitti lakkaa toimimasta, se putoaa silloin itsestään ilmakehään.

Sähköpurje ja elektrolyysiraketti

Sähköpurjetta ei valitettavasti voi käyttää satelliittien siirtämiseen radalta toiselle, koska Maan magneettikenttä estää aurinkotuulen pääsyn sille alueelle missä satelliitit ovat. Sähköpurjeesta kehitettyä ns. plasmajarrua voi kuitenkin käyttää LEO-satelliitin pudottamiseen ilmakehään, kuten Avaruusluotaimessakin aiemmin on ollut juttua.

Aalto-1 satelliitti tulee testaamaan plasmajarrun toimintaa. Lähde: Wikimedia

Elektrolyysipropulsio on mielenkiintoinen konsepti satelliittien siirtelyyn, joka on tarjoamiinsa etuihin nähden saanut mielestäni liian vähän huomiota. Elektrolyysiraketti on tavallinen vety-happiraketti, jossa polttoaine kuitenkin säilötään veden muodossa. Vettä hajotetaan hitaasti elektrolyysillä vedyksi ja hapeksi käyttäen sähköenergiaa. Vety ja happi välivarastoidaan tankkeihin kaasumaisessa muodossa ja poltetaan pienessä rakettimoottorissa säiliöiden täytyttyä, minkä jälkeen alkaa uusi kierros. 

Elektrolyysiprosessi pystyy tuottamaan kaasuja paineella, joten pumppuja ei tarvita. Laite on turvallinen ja myrkytön ja vedyn ominaisimpulssi on 30% parempi kuin hydratsiinilla. Haittana on, että satelliitin nosto radalleen ei tapahdu välittömästi kuten hydratsiinilla, vaan kestää muutaman kuukauden, mikä on kuitenkin lyhyempi aika kuin ionimoottoria käytettäessä. Myös sähkötehoa tarvitaan, mutta satelliiteissahan on joka tapauksessa aurinkopaneelit. Elektrolyysiraketin tarvitsemaa pientä, uudelleenkäynnistettävää, kaasumaista vetyä ja happea polttavaa rakettimoottoria ei tietääkseni ole olemassa, mutta en uskoisi sellaisen kehittämisen olevan vaikeaa. Elektrolyysirakettien tarvitsemaa vettä voisi myöhemmin rahdata sähköpurjeilla asteroideilta ja siten välttyä nostamasta vettä Maasta kiertoradalle. Elektrolyysipropulsion tekeminen toimivaksi olisi oiva projekti-idea innovatiiviselle rakettitiimille.

Aurinkopurjeitakin voisi periaatteessa käyttää satelliittien siirtelyyn. Asiassa on kuitenkin periaatteellinen hankaluus: jotta auringon säteilypaine voittaisi ilmakehän jarrutuksen, satelliitti pitää ensin nostaa varsin korkealle radalle jollain muulla menetelmällä.

Aurinkovoimasatelliitti tuottaa kantorakettiensa tupruttamaa hiilidioksidipäästöä vastaavan energian takaisin muutamassa kuukaudessa. Kestävä ja laaja avaruustoiminta on mahdollinen, aurinkovoimasatelliittien käyttöönotto tai muu suursovellus ei ole siitä kiinni. Ehkä kestävä ja laaja avaruustoiminta tietää myös kestävää ja laajaa asutusta planeettamme pinnalla.

Pekka Janhunen