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.

 

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.