Pölynimuri valmistaa tietä kuuasemalle

Ensi vuonna Kuussa on vilkasta. Nasan Artemis-ohjelma tuo sinne robottimönkijän etsimään vettä ja pölynimurijalkaisen laskeutujan tutkimaan pintaa. Tavoitteena on löytää paikka, jonne rakennetaan kuuasema vielä 2020-luvulla.

Ensi vuonna Kuussa on vilkasta. Nasan Artemis-ohjelma tuo sinne robottimönkijän etsimään vettä ja pölynimurijalkaisen laskeutujan tutkimaan pintaa. Tavoitteena on löytää paikka, jonne rakennetaan kuuasema vielä 2020-luvulla.

Ball Aerospace/Carnegie Mellon University

Kuu valloitetaan taas

Lähitulevaisuudessa Kuussa voi olla kuhinaa. Jos Nasan suunnitelmat toteutuvat, siellä on pian pysyvä tukikohta, jonka sisällä on normaali huonelämpötila ja ilmanpaine.

Sen asukkaat ovat astronautteja, joiden normaali maanantain työtehtävä voi olla esimerkiksi tutkia Kuun etelänavan kraatteria, josta robottimönkijä on löytänyt pinnanalaisen jääesiintymän.

Vesijää kiinnostaa paitsi siksi, että siitä saadaan sulatettua juomavettä, myös siksi, että vesi voidaan hajottaa hapeksi ja vedyksi. Niistä taas saadaan paitsi hengitysilmaa tukikohtaan, myös rakettipolttoainetta aluksiin, joilla päästään tutkimaan kaukaisempaa avaruutta.

Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, astronauteilla on myös uudenlaiset avaruuspuvut, jotka suojaavat sekä säteilyltä että joka paikkaan tunkeutuvalta kuupölyltä.

12 ihmistä. Niin pieni joukko on tähän mennessä käynyt Kuun pinnalla.

Nasa on jo kovaa vauhtia yhdessä yksityisten yritysten kanssa rakentamassa avaruusaluksia ja muita laitteita, joilla valmistellaan kuuaseman perustamista. Nasan kuuohjelma kulkee nimellä Artemis, ja sen mukaan ensimmäiset alukset lähtevät Kuuhun jo ensi vuonna.

Niiden kyydissä on toistakymmentä eri kaupallisissa hankkeissa kehitettyä laitetta, joilla tutkitaan Kuun olosuhteita. Mukana on muun muassa pinnan alle porautuva lämpömittari ja kuupölyä keräävä automaatti-imuri.

Pinnan yläpuolella

Auringosta ja muualta avaruudesta tulevat hiukkaset voivat panna tietokoneen laskemaan väärin. Montanan valtionyliopistossa USA:ssa kehitetty RadPC ehkäisee virheet laskemalla monella minitietokoneella yhtä aikaa.

© Ken Ikeda Madsen

Hiukkasmyrsky riepottelee Kuuta

Kuuhun iskee lakkaamatta valtava määrä hiukkasia Auringosta ja muualta avaruudesta. Kosmisen säteilyn hiukkaset voivat olla protoneja tai elektroneja, joissa on niin suuri energia, että ne voivat kiskoa elektroneja irti atomeista. Silloin atomeista tulee sähköisesti varautuneita ioneja.

© Ken Ikeda Madsen

Hiukkaset saavat tietokoneen sekaisin

Kosmisen säteilyn hiukkaset voivat tehdä pahaa jälkeä satelliitin tai avaruusaluksen elektronisissa laitteissa. Jos hiukkaset ionisoivat esimerkiksi mikrosirun atomeja, sirun transistoreihin voi syntyä ei-toivottu sähkövirta, joka saa tietokoneen laskemaan väärin.

© Ken Ikeda Madsen

Tietokone kestää säteilyä – toimiva yksikkö

RadPC koostuu useasta samanlaisesta yksiköstä, jotka suorittavat samat laskutoimitukset samanaikaisesti...

© Ken Ikeda Madsen

Tietokone kestää säteilyä – viallinen yksikkö

... Jos yksi yksikkö tuottaa eri tuloksen kuin muut, se on selvästikin viallinen. RadPC tulkitsee oikeaksi tulokseksi sen, johon useimmat laskentayksiköt ovat päätyneet.

Nasa haluaa takaisin Kuuhun

Apollo-ohjelman miehitettyjen kuulentojen vaihe kesti kolme vuotta, 1969–1972, ja sen aikana Kuussa kävi 12 astronauttia. Sen jälkeen yksikään ihminen ei ole käynyt kauempana Maasta kuin 400–550 kilometrin korkeudessa kiertävällä avaruusasemalla. Nyt Nasa haluaa vallata Kuun uudestaan.

Nasan kiinnostus Maan kiertolaista kohtaan on kasvanut viime vuosina monestakin syystä. Kun suunnitellaan matkoja muille planeetoille, todennäköisesti Kuuta tarvitaan väliasemana.

Lisäksi Kuussa saattaa olla arvokkaita mineraaleja. Niiden hyödyntäminen olisi hyvää harjoitusta laajempaakin muiden taivaankappaleiden luonnonvarojen hyväksikäyttöä silmällä pitäen.

Tarkoitus on tutkia niin Kuun pinta, vaippa ja kaasukehä kuin magneettikenttäkin. Näin pyritään selvittämään, miten Kuu on ajan mittaan kehittynyt.

Kuun historian perusteella voidaan sitten tehdä päätelmiä myös muista taivaankappaleista. Eniten ihmisten mieltä kuitenkin varmasti kiehtoo ajatus pysyvästä asutuksesta Kuussa.

Nasa esitteli lokakuussa 2019 uuden sukupolven avaruusasut, joita on tarkoitus käyttää Artemis-hankkeessa.

Nasa esitteli lokakuussa 2019 uuden sukupolven avaruusasut, joita on tarkoitus käyttää Artemis-hankkeessa.

© Joel Kowsky/NASA

Monta avointa kysymystä

Artemis-ohjelman aikataulun mukaan Kuussa pitäisi olla pysyvä Nasan tukikohta vuonna 2028 ja ensimmäiset astronautit käyvät Kuussa jo 2024.

Ensimmäistä kertaa mukana on myös naisastronautti. Ennen kuin ollaan niin pitkällä, pitää selvittää Kuun olosuhteet pohjia myöten. Apollo-lentojen astronautit eivät nimittäin ehtineet olla Kuun pinnalla kuin yhteensä 80 tuntia, ja tutkijoiden tiedot lähimmästä naapuritaivaankappaleestamme ovat monella tavalla vajavaiset.

Siksi ensi vuonna on tarkoitus lähettää Kuuhun joukko mittareita ja robotteja etsimään vastauksia kysymyksiin, joiden pohjalta valmistellaan Artemiksen seuraavia vaiheita.

Vastausta haetaan muun muassa kysymykseen, miten Auringosta puhaltavat hiukkaset eli aurinkotuuli vaikuttaa elektronisiin laitteisiin ja ihmisiin Kuun pinnalla ja miten tietokoneet voidaan suojata niin, että ne toimivat oikein hiukkassäteilystä huolimatta. Ja mistä aineesta tukikohta kannattaa rakentaa, jotta astronautit ovat suojassa säteilyltä?

Pitää myös selvittää, miten paljon laskeutumismoduulin rakettimoottorit saastuttavat Kuun pintaa ja ohutta kaasukehää ja missä sijaitsevat Kuun vesijääesiintymät, joista on tarkoitus valmistaa rakettipolttoainetta. Tärkeä kysymys on sekin, miten laskeutuminen Kuun kraattereihin ja kallioille saadaan turvalliseksi.

12 yksityistä yritystä toimittaa tekniikkaa Artemis-ohjelmaa varten.

Yhteistyötä yritysten kanssa

Artemis-ohjelman ensimmäinen vaihe on saanut nimen CLPS eli kaupalliset hyötykuormapalvelut (Commercial Lunar Payload Services). Heinäkuussa 2019 valittiin ensimmäiset 12 hanketta, joissa kehitetään kuutekniikkaa yhdessä yritysten kanssa.

Yksi CLPS-hankkeista on MoonRanger eli uusi robottimönkijä, jonka tehtävänä on kartoittaa Kuun pinta kilometrin säteeltä laskeutumismoduulista.

Mönkijän tekemän kartan avulla tutkijat etsivät jääesiintymiä sekä turvallisia laskeutumispaikkoja seuraaville tulijoille. Laskeutumismoduulin jalkoihin puolestaan kehitetään PlanetVac-imuria.

Siinä on puhallin, joka nostattaa pölyä Kuun pinnasta, ja imuri, joka kerää pölynäytteitä analysoitavaksi. Pölyanalyysin perusteella selvitetään, mitkä materiaalit kestävät parhaiten kuupölyn kulutusta ja muita Kuun olosuhteita.

Jotta mönkijä ja muut laitteet saadaan Kuun pinnalle, tarvitaan uudenlaisia laskeutumismoduuleja. Niistä Nasa on tehnyt sopimuksen kahden yhdysvaltalaisyrityksen, Astroboticin ja Intuitive Machinesin, kanssa. Heinäkuussa 2021 Kuuhun laskeutuu Astroboticin Peregrine-moduuli.

Se on 1,9 metriä korkea ja 2,5 metriä leveä, ja siinä on viisi rakettimoottoria, laskeutumiskamerat ja niin sanottu Doppler-lidar eli optinen tutka, joka ohjaa lasersäteen avulla aluksen turvallisesti Kuun pinnalle. Peregrinen kyytiin sopii 90 kilon kuorma.

Aluksi sen lastina on Nasan omia tutkimuslaitteita, jotka viedään Kuuhun ennen yhteistyöyritysten laitteita.

Pinnalla

Pölynimuri ottaa näytteitä Kuun pinnasta

PlanetVac imuroi pölynäytteitä

PlanetVac on laskeutujan laskeutumistelineeseen tai jalkaan kiinnitettävä osa, jonka puhallin nostattaa Kuun pinnasta pölypilven ja jonka imuri imee pölypilvestä näytteen tutkittavaksi. Näyte voidaan analysoida itse paikalla tai tuoda Maahan tutkittavaksi. PlanetVac voi korvata yhden tai useita aluksen jaloista.

1

RAC testaa pinnoitteiden pölynkestävyyttä

RAC-laitteen (Regolith Adherence Characterization) tehtävänä on testata, miten regoliitti eli Kuun pinnan hieno pöly tarttuu erilaisiin pinnoitteisiin. Apollo-lennoilla huomattiin, että kuupöly kuluttaa monia pintoja kuin hiekkapaperi. RAC:n avulla on tarkoitus löytää materiaaleja, jotka kestävät kuupölyä mahdollisimman hyvin.

2

Konekäsi kauhoo kuupölyä

SAMPLR (Sample Acquisition, Morphology Filtering, and Probing of Lunar Regolith) on laskeutumisaluksen alapinnalla oleva konekäsi, joka ottaa kauhalla regoliittinäytteitä Kuun pinnasta. Konekäsi perustuu samaan tekniikkaan, jota on aikaisemmin käytetty Marsissa Spirit- ja Opportunity-mönkijöissä.

3
© Astrobotic/Honeybee Robotics/Alpha Space Test & Research Alliance

Aurinkotuulen kestävä tietokone

Jo ennen kuin CLPS-laitteet laskeutuvat Kuuhun, niitä vastassa on ensimmäinen koettelemus: aurinkotuuli. Sitä varten on kehitetty RadPC-tietokone.

Auringosta tulevat sähköisesti varautuneet säteilyhiukkaset eli aurinkotuuli on iso ongelma avaruudessa ja Kuun ja Marsin kaltaisissa paikoissa, joissa ei ole suojana samanlaista voimakasta magneettikenttää ja paksua ilmakehää kuin Maassa.

Aurinkotuulen ionisoivat hiukkaset voivat sekoittaa alusten tietokoneet ja muun elektroniikan, jolloin ne laskevat väärin tai menevät kokonaan epäkuntoon.

RadPC:ssä toimii rinnakkain useita tietokoneyksiköitä. Useimmat niistä tuottavat oikean tuloksen, vaikka hiukkaset saisivatkin osan sekaisin. RadPC on halvempi ratkaisu kuin massiiviset säteilysuojat.

Kun aluksen ohjaustietokone laskee oikein, se saa laskeutumismoduulin turvallisesti Kuuhun, ja muut CLPS-laitteet voivat aloittaa oman työnsä. Esimerkiksi MoonRanger voi lähteä etsimään vettä.

Pinnan alla

Metrien pituisilla lämpömittareilla ja jousien lennättämillä elektrodeilla mitataan Kuun sisusten lämpöä ja rakennetta. Tuloksista etsitään uutta tietoa siitä, miten Kuu on muinoin syntynyt.

© Honeybee Robotics/NASA

1. Magneettikentän mittari kertoo pinnanalaisesta rakenteesta

Magnetotellurisessa kuuluotaimessa (Lunar Magnetotelluric Sounder) on kolme elektrodia, jotka se sinkoaa jousien avulla 14 metrin päähän Kuun pinnalle. Ne mittaavat Kuun sähköistä ja magneettista kenttää. Tulosten perusteella tutkijat voivat päätellä, millainen Kuun rakenne on 200–1 000 metriä pinnan alla.

© Honeybee Robotics/NASA

2. Staattinen sähkö selittää kuupölyn käytöksen

Kuupöly on sähköistä, koska aurinkotuuli kiskoo elektroneja irti pölyn atomeista. Staattinen sähkö saa pölyn tarttumaan lähes kaikkiin pintoihin, mikä voi häiritä laitteiden toimintaa. LuSEE-kokeella (Lunar Surface Electromagnetics Experiment) mitataan Kuun magneettikenttää ja aurinkotuulta ja yritetään selvittää kuupölyn käyttäytymistä.

3. Laskeutuja mittaa Kuun lämmön

Auringonvaloa

1

Laskeutuja

2

Auringon lämpöä

3

Lister

4
© Honeybee Robotics/NASA

Kuusta tulee huoltoasema

Vuonna 2009 havaittiin, että Kuun pohjois- ja etelänavan kraatterien reunoilla on satoja miljoonia tonneja jäätynyttä vettä. Silloin heräsi ajatus, että vesi voitaisiin hajottaa osiinsa eli hapeksi ja vedyksi, joita voidaan käyttää rakettimoottorien polttoaineena.

Polttoaineen valmistaminen Kuussa voisi olla ratkaiseva käänne tulevaisuuden avaruustutkimuksessa. Avaruusaluksen irtautuminen Maan painovoimakentästä vaatii valtavasti polttoainetta, ja mitä enemmän mukaan tarvitaan polttoainetta pitkää avaruuslentoa varten, sitä raskaampi alus on.

Jos polttoaine voitaisiin valmistaa ja tankata avaruusalukseen Kuussa ennen lähtöä varsinaiselle matkalle kohti kaukaisia määränpäitä, avaruuslentojen kustannukset olisivat huomattavasti pienemmät.

Kuun jääesiintymien hyödyntämiseen on ehdotettu niin sanottua sublimointimenetelmää. Siinä kiinteä aine eli jää haihdutetaan suoraan kaasuksi sulattamatta jäätä välillä nesteeksi.

Haihduttamiseen tarvittava lämpöenergia voitaisiin ottaa auringonsäteilystä. Jos kraatterin reunoille asennettaisiin peilejä, ne voisivat heijastaa auringonvalon linssin kautta lämmittämään Kuun pintaa ja sen alla olevaa jäätä.

Linssi olisi heijastavasta ja kaasua läpäisemättömästä aineesta tehdyn teltan huipulla. Haihtuva vesihöyry jäisi teltan sisään ja tiivistyisi nesteeksi, joka otettaisiin talteen. Neste johdettaisiin elektrolyysilaitokseen, jossa se hajotettaisiin sähkön avulla hapeksi ja vedeksi.

Brian Walsh Bostonin yliopistosta on LEXI-laitteen (Lunar Environment Heliospheric X-ray Imager ) pääkehittäjä. Se tutkii aurinkotuulen vaikutusta Maan magneettikenttään.

© Cydney Scott/Boston University Photography

Väliasema matkalla Marsiin

Artemis-ohjelma liittyy läheisesti myös suurempaan avaruustutkijoiden haaveeseen. Samalla kun tavoitteena on tehdä Kuun asuttaminen mahdolliseksi, pitkän aikavälin tavoitteena on tehdä Kuusta väliasema, josta lähdetään matkoille vielä kauemmas avaruuteen. Ensimmäinen pitkän matkan päämäärä on Mars.

Artemis-ohjelman lisäksi Nasassa valmistellaankin täyttä päätä seuraavaa kantorakettisukupolvea. Uusi ”avaruuslaukaisujärjestelmä” SLS eli Space Launch System on Nasan mukaan tehokkain koskaan rakennettu yhdysvaltalainen kantoraketti.

SLS on 15–20 prosenttia voimakkaampi kuin Apollo-lennoilla käytetyt Saturn V -kantoraketit ja jopa 34 kertaa niin voimakas kuin jumbojetin suihkumoottorit.Kun SLS on osoittanut kykynsä ja saanut astronautit Kuuhun, Nasa voi alkaa toden teolla suunnitella Marsin valloitusta.

Suunnitelmien mukaan ensimmäinen ihminen astuu Marsin pinnalle 2030-luvun kuluessa. Jos Artemis-ohjelman laitteet toimivat Kuussa niin kuin on suunniteltu, niiden tuottama tieto tasoittaa tietä myös naapuriplaneetan asuttamiselle.