Sähköpurjeen sovelluksia, osa 9: Miehitetyt Mars-lennot

Taiteilijan näkemys miehistöstä tutkimassa Marsia (Wikipedia)

Miehitettyjä Mars-lentoja voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Joissakin suunnitelmissa miehistö oleskelutiloineen laskeutuu planeetalle kertarysäyksellä, toisissa hyötykuormia viedään planeetan pinnalle etukäteen. Vähitellen tapahtuva rakentaminen on monessa mielessä houkutteleva vaihtoehto, mutta haasteena on saada lennot laskeutumaan lähelle toisiaan, tai vaihtoehtoisesti hyötykuormia ja miehistöä pitää kuljettaa esimerkiksi pyöräajoneuvolla tai ehkäpä rakettialuksella, joka käyttää Marsin ilmakehästä ja vedestä tuotettua metaania ja happea. Jos planeetan pinnalla on toimiva kuljetuspalvelu, miehistö voi laskeuduttuaan liikkua vapaammin planeetalla ja tutkia sitä. Tällöin on ehkä myös lähempänä ajatus että oleskelu Marsissa voisi saada pysyvämmän luonteen.

Jos Marsin pinnalla on toimivat oleskelutilat ja kuljetusinfrastruktuuri, miehistöt voivat laskeutua ja nousta pienehköissä aluksissa, jotka tankataan nousua varten Marsissa tuotetulla metaanilla ja hapella. Matkaan Maasta Marsin kiertoradalle ja takaisin tarvitaan raskaampi säteilysuojattu alus, joka tankataan uudelleen Marsin kiertoradalla. Välitankkaus pienentää aluksen lähtöpainoa ja tulee mahdolliseksi, jos Phobos-kuussa on vettä tai jos sähköpurjealuksilla rahdataan asteroidien vettä Marsin kiertoradalle. Paluun jälkeen siirtoalus voidaan periaatteessa tankata uudelleen Maan kiertoradalla uutta Mars-matkaa varten. Nousu matalalta Maan kiertoradalta marginaalisesti sidotulle ellipsiradalle vaatii 3.2 km/s nopeusmuutoksen ja siirtyminen edelleen matalalle Marsia kiertävälle radalle noin 2.5 km/s lisää, jos ilmajarrutusta ei käytetä hyväksi. Itse asiassa seuraavaa Mars-matkaa ajatellen siirtoalus kannattaisi jättää korkealle Maan kiertoradalle, jossa se voidaan tankata asteroidiperäisellä polttoaineella kuten Marsissa. Miehistö saadaan Maahan joko Apollo-tyyppisellä paluukapselilla tai esimerkiksi ISS:n kautta käyttäen erillistä yhteysalusta. Tällöin siirtoalus voidaan nostaa alun perin miehittämättömänä matalalta radalta korkealle kiireettömästi sähköpropulsiolla tai se voidaan tankata nostoa varten matalalla radalla Maasta tuodulla polttoaineella (tarvittava happi voitaisiin periaatteessa kaapata yläilmakehästä). Jos polttoaineena on vety-happiyhdistelmä, 2.5 km/s manöövereitä varten tankatun aluksen massasta 43 prosenttia on oltava polttoainetta. Jos vaatimus on 3.2 km/s, polttoaineen osuus nousee 51 prosenttiin. Kumpikin massasuhde on kohtuullinen.

Välitankkaus Marsin kiertoradalla alentaa kustannuksia ratkaisevasti, sillä ilman välitankkausta siirtyminen matalalta Maan kiertoradalta Marsin kiertoradalle ja takaisin vaatisi huiman 11.4 km/s nopeusmuutoksen. Vaikka käytettäisiin termistä ydinrakettia, ajoainetta (vetyä) tarvittaisiin silti 74 prosenttia lähtöpainosta. Noin suuri vetymäärä olisi ongelmallinen, koska vedyn säilöminen vaatii enemmän oheismassaa (lämpöeristeitä ja aktiivista jäähdytystä) kuin muiden ajoaineiden. Kemiallisessa vety-happiraketissahan vedyn massahan on tyypillisesti vain seitsemäsosa polttoaineen kokonaismassasta, loput on nestehappea jonka säilöminen on vetyyn verrattuna helppoa. Itse asiassa välitankkausta käyttämällä metaaninkin ominaisimpulssi riittäisi Mars-matkailuun ja voisi olla harkinnan arvoinen vaihtoehto nestevedylle, jos Phobokselta tai asteroideilta löydetään kätevässä muodossa olevia hiiliyhdisteitä. Välitankkaus Marsin kiertoradalla antaisi samalla myös mahdollisuuden täydentää miehistön tarvitseman käyttöveden ja hengityshapen varastot paluumatkaa varten, mikä pienentäisi lähtöpainoa edelleen. Vaikka lennolla pyritäänkin kierrättämään näitä aineita, täydelliseen kiertoon ei ainakaan ISS:llä ole vielä päästy.

Sähköpurje voisi kuljettaa Marsiin huoltomoduuleita odottamaan astronautteja.
Lähde: Wikipedia/NASA

Jos vähittäiseen Mars-infrastruktuurin rakentamiseen ryhdytään, planeetan pinnalle tai kiertoradalle etukäteen vietävät hyötykuormat ovat potentiaalisia sähköpurjeen asiakkaita, kunhan yksittäisen kuorman massa eli ylitä muutamaa tonnia. Toimiakseen sähköpurje vaatii noston Maan magnetosfäärin ulkopuolelle, mutta sinne päästyään alus pystyy ottamaan kurssin haluttuun aurinkokunnan kohteeseen riippumatta planeettojen asennosta. Mikä tahansa väline joka nostaa hyötykuorman pakoradalle, Kuun kiertoradalle, Lagrangen pisteeseen tai korkealle ellipsiradalle kelpaa laukaisimeksi sähköpurjehyötykuormalle. Kantoraketin rataa ja laukaisuhetkeä ei tarvitse räätälöidä lentämään kohti Marsia, sillä riittää että radan lakipiste on riittävän korkealla niin että sähköpurje pääsee aurinkotuuleen. Jos kapasiteetti riittää, samalla kantoraketilla voidaan laukaista useita sähköpurjehyötykuormia, jotkut menossa Marsiin, toiset Jupiteriin, kolmannet asteroideille ja niin edelleen.

Kuten sähköpurje, myös sähköpropulsio (Hall-moottori tai ionimoottori) on laukaisun suhteen melko joustava, ja aloitukseen riittää periaatteessa matalakin kiertorata. Kun käytetään sähköpropulsiota, siirtyminen matalalta Maan kiertoradalta matalalle Marsin radalle vaatii 14 km/s nopeusmuutoksen. Luku on suurempi kuin kemiallisten rakettien tapauksessa, koska jatkuvan propulsion on vaikea hyödyntää niin sanottua Oberthin efektiä. Jos ominaisimpulssi on sähköpropulsiolle tyypillinen 30 km/s, 14 km/s nopeusmuutos tarkoittaa että lähtöpainosta 38 prosenttia on ajoainetta. Moottorin ominaisimpulssia kasvattamalla ajoaineen määrä pienenisi, mutta toisaalta tehontarve ja aurinkopaneelien koko kasvaisivat. Liikuttaessa sähköpropulsiolla Maasta Marsiin propulsiojärjestelmän massa siis nousee helposti puoleen kokonaismassasta, eikä tarvittavan ison aurinkopaneeliston hankintahintakaan ole vailla merkitystä. Sähköpurjeella päästään pienempään lähtöpainoon, joten sen käyttäminen näyttää järkevältä.

Vaikka kymmeniä tonneja painavan miehitetyn aluksen kuljettaminen Marsiin ja takaisin ei nyt kehitystyön kohteena olevilla sähköpurjeilla onnistukaan suoraan, voi sähköpurjetta käyttää miehitetyn Mars-toiminnan ennakkovalmisteluissa ja tukitoiminnoissa, kuten yllä nähtiin. Sähköpurje olisi erityisen tehokas veden keräämisessä asteroideilta Marsin tai Maan kiertoradalle, minkä mahdollistama välitankkaus pienentäisi miehitetyn aluksen lähtöpainoa ratkaisevasti. Pienen tauon jälkeen amerikkalaiset näyttävät taas alkaneen kehittää miehitettyjä lentoja varten uutta järeää kantorakettia, mutta välitankkausta käyttämällä pärjättäisiin ehkä nykyisillä Ariane-5:n kokoisilla kantoraketeilla.

Voisiko miehitetyn hyötykuorman kuljetus Marsiin sitten olla mahdollista sähköpurjeella joskus tulevaisuudessa? Kenties, mutta se edellyttäisi nykyisten alumiiniliekojen korvaamista paremmalla materiaalilla, kuten hiilinanoputkilla.

Pekka Janhunen