Näytetään tekstit, joissa on tunniste turismi. Näytä kaikki tekstit
Näytetään tekstit, joissa on tunniste turismi. Näytä kaikki tekstit

lauantai 5. huhtikuuta 2008

Miten kiertoradalle nousemista voisi helpottaa?

 Kiertoradalle nouseminen on kaiken avaruustoiminnan perusta. Kuten tunnettua, nykyään temppu tehdään kertakäyttöisillä raketeilla, minkä takia laukaisukustannus LEO-radalle on noin 5000 eur/kg. Myös avaruussukkulan ensimmäinen vaihe on kertakäyttöinen päämoottoreita lukuunottamatta.
Ei-kertakäyttöisiä kantoraketteja ja avaruuslentokoneita on kaavailtu jo 1960-luvulta alkaen. Usein on asetettu tavoitteeksi lentoliikenteen kaltainen toiminta ja 10-100 -kertainen hinnanalennus. Vieläkään uudelleenkäytettävä kantoraketti ei kuitenkaan sisälly avaruusjärjestöjen lähivuosikymmenen tavoitteisiin. Miten tämä on mahdollista, vaikka tekniikka muuten on kehittynyt valtavasti 40 vuodessa?
Kiertoradalle nousu on aina ollut vain nipin napin mahdollista. Vain kemiallinen raketti pystyy tuottamaan suuren lyhytaikaisen työntövoiman joka jaksaa nostaa raketin taivaalle. Jotta pakosuihkun nopeus olisi mahdollisimman suuri, reaktiotuotteen molekyylipainon pitäisi olla mahdollisimman pieni, mikä rajaa mahdolliset vaihtoehdot muutamaan kevyimpään alkuaineeseen. Harvinaisia tai myrkyllisiä aineita on turha miettiä sen enempää, joten tutut hiilivedyt ja nestemäinen vety poltettuna nestehapen kanssa ovat päävaihtoehdot. Uusia kemiallisia polttoaineita ei ole keksitty sitten avaruusajan alkuaikojen. Nestevedyn pakosuihkun nopeus on kaikkein suurin, mutta aineen pieni tiheys lisää polttoainesäiliön massaa suhteessa sisältöön. Nestevedynkin pakosuihkun nopeus on kuitenkin vain vajaa puolet kiertoradalle pääsyyn tarvittavasta nopeudesta, kun ilmanvastus ja painovoimahäviöt (=se että raketti joutuu kannattelemaan itseään nousun alussa) otetaan huomioon. Tästä syystä raketin lähtöpainosta aina ylivoimaisesti suurin osa on polttoainetta. Raketin tyhjäpainostakin varsinaisen kiertoradalle nousevan hyötykuorman osuus on melko pieni. Melkein kaikissa kantoraketeissa käytetään monivaiheisuutta vähentämään kiertoradalle nousevaa turhaa massaa. Ensimmäinen vaihe tarvitsee eniten työntövoimaa, mitä on vaikea saada kevyestä nestevedystä tekemättä putkista ja pumpuista isoja ja painavia. Tästä syystä ensimmäiset vaiheet käyttävät hiilivetypolttoainetta vaikka ylemmät vaiheet polttaisivatkin nestevetyä. Ylemmissä vaiheissa tärkeintä ei ole tilan- vaan painonsäästö. Ensimmäisessä vaiheessa tärkeintä taas on suuri työntövoima niin että raketti pääsee mahdollisimman nopeasti matkaan ja välttyy turhan pitkään kannattelemasta itseään Maan painovoimaa vastaan.
Vaikka näin onkin, eikö kustannuksia saataisi alenemaan yksinkertaisesti tekemällä kantoraketista uudelleenkäytettävä? Ongelma on siinä että uudelleenkäytettävyys lisää aina kantoraketin massaa (siivet, laskutelineet, laskuvarjot tms.) ja siten vähentää jo ennestään pientä hyötykuormaa. Toinen vaikea ongelma on monivaiheisuuden yhdistäminen uudelleenkäytettävyyteen. Kertakäyttöinen raketti on helppo tehdä monivaiheiseksi pinoamalla sikarinmuotoiset vaiheet päällekkäin (ylimmän kärki on muotoiltu aerodynaamiseksi), mutta sikarinmuotoista pötkylää on vaikea palauttaa takaisin Maahan rikkomatta sitä. Tiputtaminen laskuvarjolla mereen aiheuttaa korroosiota rakettimoottoreissa, tiputtaminen laskuvarjolla maa-alueelle taas vaatii laajaa suoja-aluetta, lisää rikkimenon vaaraa koska maastoa on monenlaista ja tekee kotiinkuljetuksesta hankalan.
Monien mielestä ainoa todella taloudellinen ja järkevä tapa on palauttaa rakettivaiheet lentokonemaisesti kiitoradalle. (Onneksi tämä hoituu nykyään autopilotilla: jotain hyötyä mikroelektroniikan kehityksestä sentään on!) Tämä vaatii siipiä ja aerodynaamista nokkaa, joten lentokonemaiset rakettivaiheet on sijoitettava seläkkäin, vierekkäin tai pienempi isomman sisään. Sijoittaminen seläkkäin tai vierekkäin on kaiketi mahdollista, mutta vaiheiden erottaminen toisistaan hallitusti ilmakehässä kun molemmat lentävät moninkertaisella äänennopeudella on aerodynaamisesti vaikeasti suunniteltava ja helposti katastrofaalisesti pieleen menevä toimenpide. Pienemmän vaiheen sijoittaminen isomman sisään on yksi vaihtoehto, mutta se lisää rakenteen massaa, varsinkin kun pienempi (ylempi) vaihe käyttäisi mieluusti tilaa vievää nestevetyä. Jos molemmat vaiheet joutuvat tästä syystä käyttämään tiheämpää hiilivetypolttoainetta, kaksi vaihetta ei oikein tahdo riittää järkevänkokoisen hyötykuorman nostamiseen kiertoradalle. Suo siellä, vetelä täällä.
Usein ajatellaan että kaksivaiheisen uudelleenkäytettävän systeemin ongelmat ovat niin suuria että siivekäs yksivaiheinen vaihtoehto on parempi (ns. single stage to orbit, SSTO): pystysuora tai vaakasuora lähtö, nousu kiertoradalle, hyötykuorman irroitus, paluu Maahan ja laskeutuminen kiertoradalle. Jotta homma onnistuisi ilman kaksivaiheisuuden tuomaa huomattavaa etua (siis ilman että turhaa kuormaa heitetään matkan varrella pois), aluksen pitää olla erittäin kevytrakenteinen jotta mukaan mahtuisi edes pieni hyötykuorma. NASA:n X-33 -projektissa 1990-luvulla yritettiin toteuttaa uudelleenkäytettävä SSTO. Kuten muistetaan, projekti ei onnistunut: hyötykuorma meni lähes nollille jolloin aluksen suunnittelun jatkamisessa ei ollut enää järkeä.

NASA:n X-33 Lähde: Wikipedia
Pienehkökin parannus edes jossain osa-alueessa saattaisi tehdä uudelleenkäytettävän SSTO:n mahdolliseksi järkevänkokoisella hyötykuormalla. Tämän seurauksena kiertoradalle nousu halpenisi kertoimella kymmenen tai sata, mistä voisi aiheutua suunnaton avaruusbuumi kun mm. voimayhtiöt kilvan ryntäisivät rakentamaan puhdasta ja halpaa energiaa tuottavia aurinkovoimasatelliitteja. Mitä sitten voidaan parantaa? Nestevedyn tiheyttä voidaan hieman kasvattaa jäähdyttämällä sitä sohjoksi. Kiinteään vetyyn voidaan yrittää ympätä vapaita atomeja (vetyä, booria, hiiltä tai metalleja) energiatiheyden kasvattamiseksi. Myös nestemäistä otsonia on yritetty käyttää hapettimena, sen energiasisältö poltettaessa kun on hieman suurempi kuin tavallisen hapen. Niinsanottu ilmakärkimoottori (aerospike engine) voisi pienentää rakettimoottorin häviöitä lennon alkuvaiheessa tiheässä ilmakehässä. Venäläiset ovat kehittäneet prototyyppiasteelle moottorin joka käyttää lennon alussa hiilivetypolttoainetta ja loppuvaiheessa nestevetyä.
X-33:n ilmakärkimoottori testipenkissä. Lähde: Wikipedia
Kemiallisen raketin lisäksi muitakin keinoja nousta kiertoradalle periaatteessa on. Fissiokäyttöinen nestevetyä kuumentava raketti on teknisesti mahdollinen rakentaa. Vedyn pienen molekyylipainon takia ydinraketin vetysuihkun nopeus on noin kaksinkertainen kemiallisen raketin pakosuihkuun nähden, joten raketti jaksaa melko helposti nousta kiertoradalle yksivaiheisena. Sen työntövoima riittää nipin napin pystysuoraan nousuun Maasta. Mutta ydinraketin vetysuihku on lievästi radioaktiivinen, ja jos esim. laskeutuminen menee pieleen, vastaa se pientä ydinonnettomuutta. Ydinkäyttöinen sukkula ei siitä syystä näytä houkuttelevalta tai todennäköiseltä, vaikka se periaatteessa muuten voisikin ratkaista kiertoradalle nousun ongelman.
Jos Maata kiertäisi pitkä, kärrynpyöränä pyörivä lieka, sen alapää liikkuisi aina Maata kohti osoittaessaan Maahan nähden hitaammin kuin kiertoratanopeus, esim. 1.5 km/s hitaammin. Yksivaiheinen alus voisi nousta Maasta ja tartuttaa hyötykuormansa liean kärkeen. Aluksen rata olisi vähän kuin mannertenvälisen ohjuksen. Nopeusvaatimuksen pienentyminen tekee aluksen massabudjetin suunnitelun aitoa kiertorata-alusta paljon helpommaksi. Ajoituksen olisi kuitenkin oltava prikulleen kohdallaan, koska lieka pyörii ja osoittaa Maata kohti vain tietyllä hetkellä. Lisäksi lieka joutuisi lentämään korkeudella jossa on paljon avaruusromua. Jos lieka katkeaisi, sen ylempi pää sinkoutuisi elliptiselle radalle ja muodostaisi sinne varsin ikävän avaruusromun joka leikkaisi tielle osuvat satelliitit kahtia kuin viikate. Edelleen pyörivä lieka pilkkoutuisi törmäyksissä lyhyempiin osiin jotka uhkaisivat yhä uusia satelliitteja. Pitkien, vahvojen liekojen sijoittaminen lähiavaruuteen ei olisi välttämättä viisas teko. Sama ongelma koskee myös avaruushissiä. Avaruushissi tosin kuulunee muistakin syistä vielä pitkään tieteiskuvitelmien osastoon.
Sähköpurjekolumneissa on esitetty miten asteroideilta voitaisiin rahdata sähköpurjealuksilla vettä Maan kiertoradalle ja tehdä siitä siellä rakettipolttoainetta (vetyä ja happea), joko tehtaassa kylmätankkeihin tai sitten aurinkosähköllä itse elektrolyysiraketissa siten että vety ja happi poltetaan saman tien tai säilötään väliaikaisesti kaasusäiliöihin ja poltetaan isommissa erissä. Tämä voisi halventaa hyötykuormien nostamista LEO-radalta ylemmäs ja takaisin. Mutta itse kiertoradalle nousun ongelmaan siitä ei kaiketi olisi apua?
Jos LEO-radalla on halvalla saatavissa asteroidiperäistä rakettipolttoainetta, erityinen yhteysraketti voisi tankata sitä, jarruttaa, napata Maasta nostetun ballistisen hyötykuorman ja kiihdyttää uudestaan LEO-radalle hyötykuorma mukanaan. Toisin sanoen yhteysalus tekisi saman tempun mitä edellä selostettu pyörivä lieka mutta ilman liekaan liittyviä vaaroja. Tämä on tietääkseni uusi ajatus eli Avaruusluotain (Suomen avaruustutkimusseuran jäsenlehti) julkaisee sen ensimmäisenä. Jotta hyötykuorma ja yhteysalus kohtaisivat, ajoituksen olisi oltava kohdallaan, mutta sitä vartenhan on olemassa navigointisatelliitit. Nykyään sotilaat pystyvät osumaan ohjuksella muutaman metrin kokoiseen satelliittiin, ei tämän pitäisi olla kovin paljon sitä vaikeampaa. Ajatus voi kuullostaa ensin turhan suoraviivaiselta ja mielikuvituksettomalta, mutta tarkemmin katsottuna se voisi yhtä kaikki ratkaista kiertoradalle nousun ongelman lievittämällä Maasta nousevan aluksen nopeusvaatimusta esimerkiksi 1.5 km/s. Yksivaiheisen Maasta nousevan avaruuslentokoneen lähtöpainosta silloin noin 80% voisi olla polttoainetta, 10% avaruuslentokoneen omaa massaa ja 10% hyötykuormaa. Esimerkiksi lähtöpaino normaalin liikennekoneen luokkaa 200 tonnia, omapaino 20 tonnia ja hyötykuorma samoin 20 tonnia. 50 kertaa nykyistä halvemmalla, hintaan 100 eur/kg laukaisuyhtiö nettoaisi jokaisesta lennosta miljoonan, ja toisella miljoonalla se ostaisi yhteysrakettipalvelun asteroidikaivosfirmalta. Jos lennettäisiin kerran päivässä, avaruuslentokone saisi maksaa miljardin ja silti maksaisi itsensä takaisin kolmessa vuodessa. Avaruusturisti pulittaisi lennosta kiertoradalle 30000 euroa.

Pekka Janhunen