Bridge

UC Davisin puhereissu poiki kutsun kirjoittaa sähköpurjeesta Bridge-nimiseen julkaisuun. Yhdysvaltain insinööriakatemian julkaiseman Bridgen painosmäärä on n. 7000 ja sitä toimitetaan mm. yliopistoihin ja kongressiedustajille.

Nyt tämä sitten tuli ulos - kas tässä!

Hauskana yksityiskohtana kerrottakoon, että yksi artikkelin alkuperäisistä kuvista kohtasi editorien sensuurin liian tunnistettavien bensa-asemamerkkien takia. Julkaisussa ne on siis korvattu tylsillä tekstibokseilla, joten tässä paljon hienompi alkuperäinen kuva:

Sähköpurjekolumni 36

Onko nimi enne: Phobos

Sähköpurjekolumni 24.11.2015

Phobos-kuu

(Kyseisen Avaruusluotaimen numeron teemana oli Marsin valloituksen historia.)

Hiljattain ilmestyi tutkimus jossa todettiin että Marsin matalalla kiertävässä 20-kilometrisessä Phobos-kuussa näkyy vuorovesivoiman aiheuttamia halkeamia.  Tutkimuksessa ennustettiin että koska kuun rata alenee 2 cm vuodessa, vuorovesivoima kasvaa ja kuu hajoaa todennäköisesti 30-50 miljoonassa vuodessa.

Phobosta hajottamaan pyrkivät vuorovesivoimat ovat heikkoja, mutta toisaalta kappalekin on hauras.  Arvelisin että kuun hajoaminen on vähän kuin maanjäristys: tiedetään että tapahtuma tulee joskus, mutta täsmällistä aikataulua ja seurauksia on vaikea ennustaa. Jos hajoamisessa vapautuu kiviä, soraa ja pölyä, ne jäävät kiertämään planeettaa, jolloin ne saattaisivat uhata avaruustoimintaa Marsissa. Riski sille että kappaleita putoaisi suoraan Marsin pinnalle lienee pieni, koska siihen tarvittaisiin 500 m/s nopeuden muutos. Nykyisellä radan alenemisvauhdilla 2 cm vuodessa Phoboksen materia putoaa planeetan pinnalle parinsadan miljoonan vuoden kuluttua.

Onko Phoboksen mahdollinen hajoaminen asia joka pitäisi ottaa huomioon miehitetyn Mars-toiminnan suunnittelussa?  Todennäköisyys hajoamiselle lähivuosisatoina on pieni, ja vaikka se tapahtuisikin, siitä voitaisiin hyvinkin selvitä säikähdyksellä. Pinnalle ei varmaankaan suoraan tipahtaisi mitään, ja vaikka kiertoradalle pahimmassa tapauksessa syntyisikin jonkinlainen sorarengas, sen ja planeetan väliin jäisi tilaa niin että avaruusliikenne Marsiin olisi edelleen mahdollista. Rengas olisi kuitenkin pitkäaikainen harmi, joten saatettaisiin jossitella miksei hajoamista estetty esimerkiksi Phoboksen ympärille asennetulla teräsverkolla silloin kun kappale oli vielä ehjä.

Jos Phoboksella tai Deimoksella sattuisi olemaan kaivettavissa olevaa vettä (jäätä, kidevettä tai kemiallisesti sitoutunutta vetyä) riittävän lähellä pintaa, niitä voisi käyttää miehitetyn Mars-liikenteen tarvitseman kryogeenisen rakettipolttoaineen valmistukseen ilman että vettä tarvitsee kaivaa ja tuoda kauempaa asteroidivyöhykkeeltä. Oli Marsin kuilla vettä tai ei, kaivostoimintamielessä ne ovat joka tapauksessa merkittäviä potentiaalisia raaka-ainelähteitä. Niiden aurinkokunnan pienkappaleiden joukossa joiden keskietäisyys auringosta on enintään 1.9 au on nimittäin vain yksi Phoboksen ja Deimoksen kokoinen kappale, eli kiviasteroidi Eros. Pienkappaleilta voidaan nostaa ainetta lähes ilmaiseksi verrattuna Kuuhun ja Marsiin, Maasta ja Venuksesta puhumattakaan. Phobos, Deimos ja Eros ovat siis sisäaurinkokunnan suurimmat helposti hyödynnettävät kivisen raaka-aineen esiintymät. Pinnalta nostamisen jälkeen tapahtuva kuorman kuljettaminen esimerkiksi ulos Marsin kiertoradalta on pienempi ongelma, koska se voidaan tehdä ajoaineettomasti sähköpurjeella.

Sähköpurje mahdollistaa miehitetyn Mars-liikenteen järkihintaan

 Jos sähköpurjeilla haetaan vettä asteroideilta ja tehdään siitä nestevetyä ja nestehappea Maan ja Marsin kiertoradoilla, edestakaisen miehitetyn Mars-lennon kustannukset putoavat dramaattisesti, koska alus voidaan tankata molemmissa päissä. Edestakaisin liikennöivät alukset mahdollistaisivat ihmisen jatkuvan läsnäolon Marsissa hintaan joka ei olisi olennaisesti korkeampi kuin nykyisen Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) ylläpitokustannukset.

Sähköinen aurinkotuulipurje (http://www.electric-sailing.fi) tarjoaa uudenlaisen, ajoaineettoman tavan liikkua aurinkokunnassa. Tämä mahdollistaa asteroidien kaivostoiminnan ja sieltä löydettävän veden kuljettamisen Maan ja Marsin kiertoradoille. Kiertoradalla vesi hajotetaan vedyksi ja hapeksi, jotka nesteytettynä toimivat rakettipolttoaineena. Kiertoradalla tehtävät välitankkaukset pienentävät huomattavasti planeettojen pinnalta laukaistavaa massaa, koska pinnalta täytyy laukaista ainoastaan miehistö, ruoka ja tarvikkeet, eikä koko matkan polttoaineita. Näin huojennetaan huomattavasti avaruusmatkailun kuluja ja mahdollistetaan jatkuvat edestakaiset miehitetyt lennot Maan ja Marsin välillä.

Aluksi kartoitetaan veden kaivostoimintaan sopivat asteroidit, jonka jälkeen niille lähetetään kaivosyksiköt. Näissä periaatteiltaan yksinkertaisissa yksiköissä asteroidimateriaalia kuumennetaan, jotta sen sisältämä vesi saadaan höyrystymään. Höyry johdatetaan kylmään säiliöön, jossa se tiivistyy vedeksi. Säiliön täytyttyä se hinataan Maan tai Marsin kiertoradalle tankkausasemalle sähköpurjeella, missä siitä tehdään rakettipolttoainetta tankattavia aluksia odottamaan. Maan pinnalta laukaistu miehistöalus tankataan ensimmäisen kerran Maan kiertoradalla ja tehdään rakettipoltto kohti Marsia. Matkan aikana miehistön säteilysuojana käytetään asteroidiperäistä vettä, mikä pienentää Maasta laukaistavaa massaa entisestään. Marsin radalla tankataan uudelleen paluumatkaa varten. Lisäksi jos Marsin radalla tankataan yhden ylimääräisen kerran, voidaan suorittaa täyspropulsiivinen laskeutuminen Marsiin, jolloin painavaa ja kallista lämpökilpeä ei tarvita.

Arvioimme että näiden sähköpurjeen ja asteroidien kaivostoiminnan mahdollistamien parannusten ja kerrannaisvaikutusten jälkeen edestakainen miehitetty liikenne ja ihmisen jatkuva läsnäolo Marsissa ei olennaisesti ylittäisi nykyisen Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) ylläpitokustannuksia. 

Janhunen, P., S. Merikallio and M. Paton, EMMI—Electric solar wind sail facilitated Manned Mars Initiative, Acta Astronautica, 113, 22-28, 2015, ISSN 0094-5765, http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.03.029, http://arxiv.org/abs/1409.1036

Sähköpurje mahdollistaa asteroidien kaivostoiminnan, josta saatava vesi voidaan jalostaa rakettipolttoaineeksi. Näin mahdollistuu järkevänhintainen miehitetty liikenne Maan ja Marsin välillä.

 

COSMOS - COSPARin yleiskokous Moskovassa 2.-10.8.2014

Viideskymmenes Cospar-kokous järjestettiin Moskovassa kesän kuumimpaan aikaan elokuun alussa. Suomestakin oli paljon osallistujia ja kokouspaikalla oli mahdotonta liikkua törmäilemättä muihunkin tuttuihin vuosien varrelta. Olin esittelemässä sähköpurjeella toteutettavaa Marsin valloitusta. Ideana on hakea vettä asteroideilta ja tuoda se sähköpurjeilla Maan ja Marsin kiertoradoille, joissa vesi sitten hajoitetaan vedyksi ja hapeksi. Nesteytettynä vety ja happi ovatkin sitten käyttövalmista rakettipolttoainetta (LOX/LH2), jota voidaan käyttää alusten tankkaamiseen ja näin laukaisumassat Maasta muodostuvat varsin kohtuullisiksi. (kts.myös aiempi sähköpurjeblogin kirjoitus Marsin valloituksesta, sekä kokouksen jälkeen 3.9.2014 Acta Astronauticaan lähetetty tieteellinen artikkeli aiheesta.):

Cosparissa esitetty sähköpurjeposteri.

Cospar on iso kokous, nytkin normaalia pienempänä se veti yli 3000 tiedenaista- ja miestä keskustelemaan avaruudellisista asioista Titan-kuun meristä (pinnalla näkyvissä järvissä olisi metaania ihmiskunnalle 100 000 vuoden polttoainetarpeiksi!) aina rustosolujen tubuliinitukirankojen erilaisiin kasvukuvioihin painottomuudessa (solut sopeutuvat ja palautuvat yllättävänkin hyvin). Kuultiinpa myös avaruudessa pisimpään eläneestä organismista (sitruunapuu, yli 2 vuotta) ja monista tulevaisuuden mielenkiintoisista missioideoista...

Suomalaisedustusta Cosparissa: Kirsti Kauristie, Tuija Pulkkinen, Minna Palmroth ja Sini Merikallio. Taustalla Moskovan yliopiston massiivinen rakennus.
Kuva: Giancarlo Genta.

Ote ohjelmalehtisestä.

Sähköpurje liiteli paraatipaikalla myös juuri ennen avajaisia järjestetyssä tieteellisessä "pyöreän pöydän keskustelussa", jossa sain kunnian pitää alustuksen sähköpurjeen toiminnasta ja käyttökohteista. Muina panelisteina oli mm. Cosparin presidentti, prof. Giovanni Bignami, jonka puhe kuultiin myös Suomen Cosparin 50-vuotisjuhlissa keväänä (tuon tilaisuuden puheet, ml. Pekan sähköpurjepuhe, ovat nähtävillä Youtubessa). Yhteensä kaksi tuntia kestäneessä keskustelussa vastailin sitten todella hyviin ja perustavanlaatuisiin kysymyksiin sähköpurjeen toiminnasta. Tosin sivussa jouduin ottamaan kantaa myös warppiajon mahdollisuuksiin ja astronauttivalintojen vaikeuteen, mutta pääsinpä mainostamaan suomalaisten amatöörien upeita eksoplaneettalöytöjäkin - Härkämäki rulettaa!

Pyöreä pöytä, vasemmalta: Giovanni Bignami, Sini Merikallio, Giancarlo Genta, Leonid Ksanfomality ja Roberto Ragazzoni. Kuva: Minna Palmroth.

Kokouksen kohokohtana oli kuitenkin Rosetta -aluksen saapuminen komeetta 67P:n (Churyumov-Gerasimenko) kupeeseen. Seurasimme lähestymistä täpötäydessä auditoriossa tiedeporukan kanssa, joista suurella osalla oli ollut näpit jotenkin mukana tässä isossa proggiksessa. Tuntuu epätodelliselta ajatella sen avaruusaluksen, jonka viimeksi näki EMC-testeissä ESTEC:ssä vuosia sitten, olevan nyt yli neljänsadan miljoonan kilometrin päässä komeettaa kiertämässä (noiden testien valvojaksi lähteminen oli ensimmäisiä, ellei peräti ensimmäinen, ulkomaan työmatkani). Sähköpurjeen kehityksen myötä tulevaisuuden avaruusmissiot eivät ehkä kestäkään enää kymmeniä vuosia – Rosettakin olisi sähköpurjeella voitu toimittaa kohteeseensa vain parissa vuodessa, kun sillä nyt meni matkaansa reilut kymmenen vuotta. Polttoainetankit eivät myöskään kerrasta tyhjentyisi, vaan samalla matkalla voitaisiin halutessa poiketa useammankin kohteen kautta, vaikkapa koukkaamalla asteroidivyöhykkeelle kiertoajelulle (kts. blogin aiempi kirjoitus).

Kunnon sadekuurot ilahduttivat loppuviikkoa kuumien ja auringonpaahteisten päivien keskellä.

Cosparin kuumat vuodet jatkuvat; kahden vuoden kuluttua lentokoneet suuntaavat Istanbuliin ja neljän vuoden kuluttua avaruus kondensoituu Malesiassa.

Matkailuterveisin Suomen Cosparin kansalliskomitean sihteeri,

                           Sini Merikallio

Punainen tori on yllättävän pieni, vino ja huonopintainen - siinä on varmasti ollut kieli keskellä suuta sillä nuorella saksalaisella, joka 80-luvulla laskeutui tuonne Cessnansa kanssa... 

JK. Kokouksen jälkeen oli hieman aikaa pyörähtää Moskovassakin, joten suunta otettiin luontevasti kohti eläintarhaa. Olikin mukavaa nähdä isolta osaltaan hienoksi restauroitu tarha, jossa monilla eläimillä oli suhteellisen hyvät olot: jääkarhuilla mm. oli ihan oma jääkone, josta tiputteli tasaiseen tahtiin jäähilettä pieneksi kasaksi, jossa oli hyvä kesäkuumallakin köllötelä. Toivottavasti isojen krokotiilienkin tilat uusitaan pian, ne kun tuskin mahtuivat täysin suoristumaan pienissä kopeissaan. Orankien touhuja olisi voinut seurailla tuntikausia - "metsän ihmisten" meno oli todella tutun oloista. Yksi orankineidoista työnsi lasin reunan välistä minulle pienen tikun, jonka sitten sitä "tutkittuani" ja hajustettuani työnsin raosta takaisin odottavalle orangille. Hetken vedimme yhtä tikkua ja tarkkaan se sitten tulikin nuuskittua ja mutusteltua lasin toisella puolen. Näitä mahtavia otuksia täytyy joskus päästä näkemään niiden omassa luonnollisessa ympäristössäkin - toivottavasti tuota nyt kovin nopeasti katoavaa ympäristöä ja elintilaa orangeillekin vielä tulevaisuudessa riittää!

Miehitetyistä Mars-lennoista

HERRO: robottiluotainten ja miehitetyn Mars-lennon välimuoto

NASA:n George Schmidt on ehdottanut että Marsia kiertämään lähetetään avaruuslentäjiä, jotka etäohjaavat tosiaikaisesti pinnalla liikkuvia robottiluotaimia. Hän käyttää ajatuksesta nimeä HERRO: HumanExploration using Realtime Robotic Operations. Maasta ohjattavilla luotaimilla edestakainen tiedonsiirtoviive on tyypillisesti kymmeniä minuutteja. Marsin kiertoradalta käsin viive on vain sekunnin murto-osia, mikä avaa joukon uusia mahdollisuuksia. Schmidt kumppaneineen ehdottaa myös ajatuksen soveltamista muihin taivaankappaleisiin kuten Venukseen.

Minusta ajatus on mielenkiintoinen. Etäläsnäolon avulla robotilla voi periaatteessa tehdä lähes samat temput kuin pinnalla jäykässä avaruuspuvussa kävelevä ihminen pystyisi tekemään. Siinä tunnusteleeko ihminen Marsin hiekkaa avaruuspuvun jäykän käsineen läpi vai etäläsnäolon kautta kiertoradalta ei aistikokemuksen ja toiminnan tehokkuuden kannalta ole välttämättä suurta eroa, jos tekninen toteutus on laadukas.

Kuva: Schmidt ym., 2011.
MOI=Mars Orbit Insertion=poltto jolla päästään planeetan kiertoradalle.

Kiertäminen Marsia on halvempi ja riskittömämpi vaihtoehto kuin pinnalle laskeutuva retkikunta, eikä ole vaaraa planeetan saastumisesta ihmisen mukanaan tuomista Maan mikrobeista. Retkikunta tutkisi pyöräajoneuvollaan melko pientä aluetta, mutta etäohjattavia luotaimia voi olla planeetan eri puolilla. Koska luotaimet voivat ottaa isompia riskejä kuin ihmiset, niitä saadaan myös hankaliin paikkoihin. Myös kanjoneita ja luolia tutkiva pieni lennokkiluotain voisi olla mahdollinen, kun luotaimen puikkoihin saadaan aito lentäjä-ässä eikä tekoäly. Marsia kiertävään kookkaaseen miehistöalukseen on helppo järjestää riittävä lähetinteho ja antennipinta-ala etäläsnäolon tarvitsemaa laajakaistaista radioyhteyttä varten.

Koska etäohjattavien robottien ei tarvitse täyttää miehitetyn avaruustoiminnan tiukkoja turvallisuusvaatimuksia, niitä voivat rakentaa myös pienet maat pienillä budjeteilla: jos laite ei toimi, kukaan ei kuole. Hankkeen ympärille voisi pystyttää Kansainvälinen geofysiikkavuosi -tyyppisen kansainvälisen Mars-vuoden. Kansainvälisenä Mars-vuonna kaikilla kynnelle kykenevillä toimijoilla olisi Marsissa luotain, jota avaruuslentäjät voivat ohjata kiertoradalta. Toki tavoite olisi että seuraavassa vaiheessa ihmiset laskeutuvat planeetalle, jos Mars-vuoden tutkimusten perusteella päädytään siihen että planeetalla ei ole elämää jota pitäisi suojella Maan mikrobeilta. Toiminnan motiivina kakkosvaiheessa olisi todennäköisesti enemmän seikkailuhenki ja aurinkokunnan asuttaminen kuin tieteellinen tutkimus.

Asteroidiveden käyttö

Laskeudutaan pinnalle tai ei, miehitettyä Mars-matkailua voi helpottaa käyttämällä välitankkauksia. Sähköpurjeilla rahdataan asteroideilta vettä tankkausasemille, joissa siitä tuotetaan vetyä ja happea. Tankkauspisteet voivat sijaita esimerkiksi matalalla Maan kiertoradalla, Maan Lagrangen pisteessä ja Marsin kiertoradalla. Myös planeetan pinnalla tarvitaan tankkausasema, jos halutaan että ihmiset vierailevat sielläkin. Maan matalalta kiertoradalta Lagrangen pisteeseen tarvittava nopeusmuutos on 3.2 km/s, Lagrangen pisteestä matalalle Marsin kiertoradalle 2.5 km/s ja Marsin pinnalta matalalle radalle noin 4 km/s kun ilmanvastus- ja painovoimahäviöt otetaan huomioon. Nämä delta-v-arviot on laskettu käyttämällä ympyrämäisiä ja samassa tasossa olevia Maan ja Marsin ratoja, joten ne ovat likimääräisiä. Tarkat luvut riippuisivat siitä minä vuonna matkalle lähdetään. Vetyä käytettäessä 3.2 km/s nopeusmuutos vastaa sitä että 50% aluksen kokonaismassasta tankkauksen jälkeen on polttoainetta.

Pitkällä matkalla Maasta Marsiin miehistöä pitää suojata säteilyltä. Vesi on tehokas säteilysuojamateriaali, joten säteilysuojana voi toimia rungon sisäinen vesilasti, joka siirretään alukseen Lagrangen pisteen tankkauspaikalla. Aluksen runko voidaan suunnitella kevyeksi, koska rungon itsensä ei tarvitse toimia säteilysuojana eikä rungon tarvitse myöskään tukea raskaan säteilysuojan painoa laukaisutärinän aikana. Tämä suunnitteluperiaate pienentää Maasta laukaistavaa massaa entisestään.

Kuinka paljon energiaa asteroidin jään muuttaminen vedyksi ja hapeksi vaatii? Veden haihduttaminen vie noin 2 MJ/kg. Esimerkiksi 2 kW lämmitysteholla vettä tulee yksi gramma sekunnissa eli 30 tonnia vuodessa. Veden hajottaminen vedyksi ja hapeksi polttoainetehtaassa ja sitä seuraava vedyn nesteytys vaativat noin kymmenkertaisen energianmäärän eli 20 MJ/kg. Jos vettä halutaan tuottaa esimerkiksi 30 tonnia vuodessa, polttoainetehtaalla tarvitaan siis noin 20 kW sähköteho. Tämän tehon tuottava aurinkopaneelisto painaa vain noin 200 kg. 30 tonnin polttoainelasti jo melkein riittää miehitetyn Mars-aluksen yhteen tankkaukseen. Polttoainetuotannon vaatima infrastruktuuri ei siis ole raskasta kalustoa, vaan jo muutamalla tonnilla päästään pitkälle. Vesi voidaan kuljettaa tankkauspaikalle tehokkaasti sähköpurjeilla. Tankkauspisteitä voi olla enemmän kuin yksi samalla radalla, jotta saavutetaan riittävä toimintavarmuus.

Ennemmin tai myöhemmin halutaan tehdä miehitetty lento Marsin pinnalle ja takaisin. Miehistöalus on joka tapauksessa melko painava, joten sellaisen laskeutuminen perinteiseen tyyliin vaatii ison lämpökilven, jonka turvallisen toiminnan varmentaminen etukäteen on hankalaa ja kallista. Jos Marsin kiertoradalla on käytettävissä asteroidiperäistä polttoainetta, laskeutuminen voitaisiin suorittaa yksinkertaisesti tekemällä kiertoradalla voimakas jarrutuspoltto, jonka jälkeen alus putoaa pystysuoraan planeetan pinnalle. Pinnan lähellä jarrutetaan uudestaan ja leijutaan raketeilla haluttuun laskeutumispaikkaan. Lämpösuojausta tarvitaan vain vähän ja laskeutumisen tarkkuus saadaan hyväksi. Tarkka laskeutuminen on tärkeää, jotta miehistö pääsee samaan paikkaan johon on toimitettu etukäteen polttoainetehdas ja muita varusteita. Kustannussyistä rahti on kuljetettu Marsin kiertoradalle sähköpurjeilla ja/tai ionimoottoreilla. Rahdin laskeutuminen voisi tapahtua yllä kuvatulla tavalla kemiallisella poltolla. Avainresurssi siihenkin on Marsin kiertoradan tankkauspiste.

Mikä polttoaine paluuseen Marsin pinnalta?

Miehistöaluksen paluuta varten se täytyy tankata Marsissa. Uusien Curiosityn tulosten mukaan Marsin pintahiekka sisältää 2-3 prosenttia kidevettä jokavapautuu jos aine lämmitetään noin 200-400 asteeseen. Käytännössä paikallisesti saatavat polttoainevaihtoehdot ovat metaani ja happi tai vety ja happi. Molempien tekemiseen tarvitaan vettä, metaanin tuotantoon myös Marsin ilmakehän hiilidioksidia. Vedyn ominaisimpulssi on suurempi ja sen tuottaminen on kemiallisesti yksinkertaisempaa kuin metaanin. Toisaalta tunnetusti nestevetyä on hankalampi käsitellä koska sen säilytyslämpötila (20 K) on matalampi kuin metaanin (110 K) tai hapen (90 K).

Nestevetyä on Marsissa helpompi käsitellä kuin Maassa. Se auttaa hieman että Mars on Maata kylmempi. Mahdollinen vetyvuoto ei aiheuta räjähdysvaaraa Marsin hapettomassa ilmakehässä. Eristämätön nestevetyputki peittyy Marsissa hiilidioksidihuurrekerroksella, mikä muodostaa luonnollisen lämpöeristeen. Maassa käy huonommin: ilmakehän happi ja typpi aluksi jäätyvät ja sitten nesteytyvät putken ympärille. Nestemäinen ilma valuu alaspäin, jolloin tiivistyminen jatkuu eikä lämpövuoto korjaannu itsestään. Pahimmassa tapauksessa nestemäinen ilma saattaa muodostaa lammikon, joka voi myöhemmin kiehuessaan aiheuttaa tulipalon koska viimeiseksi siitä haihtuva kaasu on happi. Neljäs syy on että Marsin matala ilmanpaine tehostaa lämpöeristämistä ylipäätään. Tavallinen lämpöeriste, esimerkiksi polyuretaani, toimii sitä paremmin mitä pienempi on kaasun paine, ääritapauksena on tehokas tyhjiöeriste. Tyhjiön ylläpitämiseen tarvittava jäykkä rakenne on Marsissa sata kertaa kevyempi kuin Maassa, jolloin tyhjiöeriste-elementin massa pienenee ja lämpösillat kapenevat, mikä parantaa eristävyyttä entisestään.

Nestevety näyttäisi siis suhteellisen lupaavalta vaihtoehdolta Marsissa syntetisoitavaksi paluupolttoaineeksi. Koska kyseessä on sama polttoaine jota asteroidivedestäkin saadaan, tämä saattaisi avata mahdollisuuden jopa sellaiselle alustyypille, joka tankkausten avustamana pystyy lentämään Marsin pinnalle ja takaisin miehistö mukanaan. Toisaalta saman aluksen toimiminen kaikissa rooleissa ei ole itsetarkoitus. Perusvaihtoehto varmaankin on että Marsin pinnalla on asemat jotka toimitetaan sinne etukäteen ilman miehistöä ja että edestakainen liikenne Marsin pinnan kiertoradan välillä hoidetaan erillisillä pienemmillä yhteysaluksilla. Joka tapauksessa avaintekniikkana on välitankkaukset koska niiden avulla vapaudutaan rakettiyhtälön eksponentiaalisesta luonteesta.

Kansainvälinen avaruusviikko 2013

Kansainvälistä avaruusviikkoa vietetään vuosittain, nyt 4.-10.10.2013 - teemana on tällä kertaa "Exploring Mars, Discovering Earth". Tiedekeskus Heurekassa on parhaillaan menossa Mars-matkailun erikoisnäyttely, joten se oli luonnollinen paikka tämänvuotisen Avaruusviikon päänäyttämöksi.

Tietokirjailija Markus Hotakainen esitelmöi Marsin historiasta ja tutkimuksesta näyttävällä SOS pallolla.
Hotakaisen kirja, Mars, kannattaa lukea; siinä on paljon tietoa kauniissa ja sopivan tiiviissä paketissa!

Sähköpurjeteknologian mahdollisuuksista Mars-lentoja ajatellen on jo aiemmin kirjoitettu tässä blogissa. Veden hakeminen asteroideilta voisi tuoda Mars-matkojen kustannuksia selvästi alaspäin, kun kaikkea menovettä ei tarvitsisikaan nostaa raketeilla kalliisti Maan pinnalta asti. Kävin pitämässä aiheesta avoimen yleisöluennon Heurekan isossa auditoriossa ja se taltioitui kännykkäkameralla, joten pidemmittä puheitta, puhe jatkuu tästä!

Sini Merikallio

Heurekan juuri auennessa "Määränpäänä Mars" -näyttelyssä yleisö pääsee kokemaan,
miten paljon pölymyrsky voi heikentää näkyvyyttä.

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