Avaruusajatukset kypsyvät Nasan hautomossa

Magneettiradan rakentaminen Kuuhun ja asteroidien muuttaminen viljaviksi pelloiksi ovat esimerkkejä Nasan innovaatio-ohjelman (NIAC) tuottamista ideoista, jotka koettelevat mahdollisen rajoja. Parhaat niistä voivat mullistaa avaruustutkimuksen.

Magneettiradan rakentaminen Kuuhun ja asteroidien muuttaminen viljaviksi pelloiksi ovat esimerkkejä Nasan innovaatio-ohjelman (NIAC) tuottamista ideoista, jotka koettelevat mahdollisen rajoja. Parhaat niistä voivat mullistaa avaruustutkimuksen.

Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Jotta avaruustutkimus ei kangistuisi kaavoihin, insinöörejä kannustetaan ideoimaan villisti. Nasa tekee sen innovaatio-ohjelmansa kautta: NIAC palkitsee joka vuosi avaruusalalle jotakin uutta tuottavia keksintöjä.

NIAC on leikkikenttä, jossa niin yliopistoväen, yrittäjien kuin Nasan omien työntekijöidenkin ajatukset saavat temmeltää – melkein – vapaasti. Tarkoituksena on synnyttää uusia ratkaisuja, jotka saattavat johtaa jopa tieteellisiin läpimurtoihin. Tällä areenalla scifiä muutetaan oikeaksi tekniikaksi useiden vuosikymmenien pituisella aikavälillä.

Ideat saavat perustua menetelmiin ja välineisiin, joita ei ole vielä edes keksitty, mutta visio tulee selittää tieteellisesti pätevästi. Voittajaksi valittavalle suunnitelmalle on luvassa jopa kaksi miljoonaa dollaria kehittämisrahaa.

Tutkimus

Radioantenni PEDALS kiertää itse auki 200 metriä pitkät vyönsä Kuun pinnalla ja kuuntelee, kuinka radiosignaalit heijastuvat kallioperästä.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Sisäantenni kertoo Kuun tarinan

Toteutusaika: 10 vuotta

Milloin Kuu muodostui ja miten se on muuttunut miljardien vuosien kuluessa? Kysymyksiin voi vastata jättiläisantenni PEDALS (Passively Expanding Dipole Array for Lunar Sounding).

PEDALS koostuu neljästä rullalle kierretystä vyöstä, joilla on pituutta 200 metriä. Jokaisessa vyössä on satoja dipoliantenneja, jotka lähettävät radioaaltoja kallioperään eri taajuuksilla.

Monille television sisäantenneista tuttu dipoliantenni on rakenteeltaan yksinkertainen. Kun osia on vähän, antennissa ei ole monta heikkoa kohtaa, mistä on taas paljon etua kaukana korjaamoista ja varaosaliikkeistä.

Mittaamalla radiosignaalien lähettämisen ja vastaanottamisen välisiä eroja voidaan kartoittaa kallioperän ominaisuuksia useiden kilometrien syvyyteen asti. Kun suoraan pinnalla toimivia antenneja on runsaasti, mittaustarkkuus paranee ja kuva koostumuksesta ja rakenteesta tarkentuu.

Hanke on vaativa, sillä PEDALSin on tarkoitus laskeutua Kuuhun omin avuin. Koska Kuulta puuttuu kaasukehä, laskuvarjoja ei voida käyttää. Tutkijat visioivatkin PEDALSin saapuvan perille turvatyynyn kaltaiseen ilmapalloon pakattuna. Se vaimentaa törmäystä, kun PEDALS osuu Kuun kamaraan.

Antennivyöt kiertyvät auki

Läpimitaltaan 400-metrinen radioantennijärjestelmä karoittaa Kuun kallioperää monen kilometrin syvyydeltä. Ympäröivä turvatyyny vaimentaa törmäystä, ja perillä antennivyöt rullautuvat itsestään Kuun pinnalle.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. PEDALS syöksyy Kuuhun

Kuuta kiertävältä radalta poistuttuaan PEDALS putoaa vapaasti sen pinnalle. Järjestelmä on pakattu turvatyynyä muistuttavaan ilmapalloon, jotta se ei rikkoutuisi osuessaan kamaraan.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Turvatyyny tyhjenee

Turvatyynyn painopiste on sijoitettu niin, että se laskeutuu Kuuhun mitä todennäköisimmin PEDALSin pohja edellä. Laskeutumisen jälkeen turvatyyny tyhjenee ja PEDALSin vyöt, joita on kaikkiaan neljä, tulevat esiin.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

3. Vyöt saavuttavat täyden mittansa

PEDALS on valmistettu muistimateriaalista, joten vöiden levittämiseen ei tarvita konevoimaa. Kun turvatyyny ei ole enää esteenä, kaikki neljä vyötä alkavat kiertyä auki. Lopulta ne ovat 200 metriä pitkiä.

Antennit ovat jo osoittautuneet tehokkaaksi apuvälineeksi tutkittaessa toisia taivaankappaleita. Esimerkiksi Marsia kiertävä avaruusluotain Mars Express paljasti vuonna 2018, että planeetan etelänapaa peittävän jäätikön alla on järvi noin 1,5 kilometrin syvyydessä. Se on toistaiseksi ainoa todiste siitä, että Marsissa on nestemäistä vettä. Luotaimen 40 metriä pitkä antenni on paljon pienempi kuin PEDALS.

SWIM-robottikalat etsivät elämän merkkejä jäisissä Europa- ja Enceladus-kuissa piilevistä meristä. Pienet laitteet lähettää matkaan emorobotti, joka on yhteydessä laskeutumisalukseen.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Robottikala etsii elämää jääkuun merestä

Toteutusaika: 20 vuotta

Jupiterin kuu Europa ja Saturnuksen kuu Enceladus on arvioitu todennäköisimmiksi Maan ulkopuolisen elämän esiintymispaikoiksi. Mahdolliset pieneliöt ja vesieläimet elävät kuitenkin kuiden jääpeitteisissä merissä, joten niitä on vaikea etsiä. Pienten 3D-tulostimella valmistettujen robottikalojen on ehdotettu tutkivan näkymättömiä meriä.

Nimekseen SWIM (Sensing with Independent Micro-swimmers) saaneet robotit ovat enintään 25 senttiä pitkiä, ja niitä liikuttavat sähkötoimiset evät. Moottorit ottavat virran akuista. Robottikaloja voidaan käyttää paitsi yksin myös parvina, sillä ne pystyvät viestimään keskenään ultraäänisignaaleilla.

Robotit varustetaan anturisetillä, ja ne videoivat ja valokuvaavat kameralla. Lisäksi spektrometri määrittää meren ainekoostumuksen ja ottaa näin selville, sopivatko olosuhteet biologiselle elämälle.

Robottikalat lähettää liikkeelle emorobotti, joka on kaapeliyhteydessä jään päällä olevaan laskeutumisalukseen. Emorobotti ujutetaan nestemäiseen veteen jäässä olevien railojen kautta.

ReachBot-robotti kykenee kiipeämään kallioilla ja ryömimään luolissa moottorikäyttöisillä raajoillaan. Siihen eivät tavalliset mönkijät pysty.

© Marco Pavone

Kiipeilijärobotti tutkii Marsin luolia

Toteutusaika: 10 vuotta

Mars-mönkijät Opportunity ja Perseverance ovat jättäneet kilometritolkulla pyöränjälkiä punaiseen pölyyn, mutta niiden kaltaisilla ajoneuvoilla ei ole mitään asiaa vaikeakulkuiseen maastoon, kuten kivikkoihin ja luoliin. Kiipeilijärobotti ReachBot voi sen sijaan liikkua sielläkin.

Robotilla on moottorikäyttöiset raajat ja tarttumaelimet, jotka työntyvät ulos kuin teleskooppivapa. Toimintatapa tekee ReachBotista niin notkealiikkeisen, että se voi liikkua Marsin vielä tutkimattomissa osissa.

ReachBotin tutkimuskohteita ovat muun muassa kalliorinteiden ruhjevyöhykkeet, joihin voi kätkeytyä hyvin vanhoja geologisia kerrostumia. Tutkijat uskovat, että planeetalla on ollut kaasukehä ja ilmasto, jotka mahdollistivat nestemäisen veden esiintymisen sen pinnalla. Siksi Marsissa on voinut syntyä biologista elämää.

Tarttumaelimillään robotti voi kiinnittyä erilaisiin pintoihin ja tarttua kappaleisiin. Lisäksi se käyttää niitä liikkumiseen. ReachBotille on kaavailtu tehtäviä myös ISS:llä. Robotti kykenee kulkemaan avaruusaseman ulkopinnalla menettämättä otettaan.

Kaivostoiminta

Magneettijuna käynnistää rakennushankkeen Kuussa

Toteutusaika: 20 vuotta

Nasa aikoo lähettää astronautteja Kuuhun vuosikymmenen puolivälissä ja tähtää pysyvän siirtokunnan perustamiseen. 2030-luvulla rakennettavat tukikohdat vaativat rakennusaineita. Parhaana vaihtoehtona pidetään Kuun omaa maata, regoliittia, jotta maapallolta ei tarvitse kuljettaa sinne paljon materiaaleja.

Siksi on ehdotettu, että Kuuhun rakennetaan magneettirata, jota pitkin regoliittia ja muita aineita voidaan kuljettaa tehokkaasti rakennuspaikalle. Hanke on nimeltään FLOAT (Flexible Levitation on a Track).

Rata pitää valmistaa joustavasta materiaalista, jotta se voidaan levittää suoraan Kuun pinnalle ilman mittavia perustustöitä. Raide päällystetään ohuella aurinkokennokalvolla, joka tuottaa sähköä järjestelmälle.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Rata levittyy Kuun pinnalle

Magneettiradan päällä leijuva FLOAT-juna voi kuljettaa tonneittain rakennusaineita Kuussa.

Kuun maa kelpaa rakennusaineeksi

Kaivosrobotit kaivavat Kuun pölymäistä kiviainesta, regoliittia, ja lastaavat sitä magneettijunan vaunuihin. Regoliitista voidaan rakentaa esimerkiksi tukikohtia, jotka antavat astronauteille suojaa avaruudesta tulevaa haitallista säteilyä vastaan.

Vaunut leijuvat radan päällä

Vaunua leijutetaan diamagneettiseksi levitaatioksi kutsutulla menetelmällä. Siinä vaunun alla olevan raiteen magneettikenttä hylkii vaunun materiaalissa luonnostaan esiintyvää magneettikenttää. Vaunun ja raiteen väli on muutamia senttejä.

Raiteen kolme kerrosta työntävät junaa

Raide on kolmikerroksinen. Päällimmäisenä on aurinkokennokalvo, joka tuottaa radalle sähköä. Keskellä on grafiittia, joka toimii vaunujen valmistusaineen vastanapana. Alin kerros on sähkömagneettinen, ja se kuljettaa junaa eteenpäin.

Rakennusaineita kuljettava juna leijuu radan yllä magneettilevitaatioksi kutsutun ilmiön ansiosta. Tällä toimintaperiaatteella toimivia suurnopeusjunia on muun muassa Japanissa ja Kiinassa. Junaa leijuttavat voimakkaat sähkömagneetit, ja koska vaunujen ja raiteen välistä kitkaa ei synny, sen nopeus voidaan nostaa jopa 600 kilometriin tunnissa.

Sähkömagneettinen kuljetustapa on monella tapaa edullinen. Junassa ei tarvita sellaisia liikkuvia ja siten myös kuluvia osia kuin pyöriä, laakereita ja akseleita. Asialla on suuri merkitys kaukana Maasta.

Kuun radalla ajetaan reilun kahden kilometrin tuntivauhtia, ja neliömetrin laajuinen vaunu voi ottaa 33 kilon kuorman. Tavoitteeksi on asetettu, että täysimittainen FLOAT kykenee kuljettamaan satojatuhansia tonneja rahtia Kuussa.

Mars har vand under overfladen, og boreroveren ARD3 kan bore ned til det vha. 1 m lange borerobotter på larvefødder.

© Planet Enterprises/James Vaughan Illustration

Mönkijä poraa kaivon Marsiin

Toteutusaika: 10 vuotta

Vuonna 2018 tehdyn tutkimuksen mukaan Marsin etelänavalla on vettä noin 1,5 kilometrin syvyydessä. Siksi on ehdotettu kehittää porausmönkijä ARD3, joka pääsee käsiksi veteen.

ARD3-mönkijän työkaluja ovat porabotit eli metrin pituiset porausrobotit, jotka pystyvät liikkumaan edestakaisin porausaukossa ja syventämään sitä vähitellen. Mars-mönkijä Perseverance, joka laskeutui planeetalle vuonna 2021, voi ottaa vain 6 senttiä pitkiä porausnäytteitä.

Porausmönkijään kuuluu tusina porabotteja. Ne työskentelevät reiässä yksi kerrallaan. Porausrobotit lasketaan planeetan pinnalle putken kautta, ja sen jälkeen ne pääsevät tositoimiin. Porabotti liikkuu hitaasti porausaukossa sen seiniä vasten painautuvien kumivöiden varassa.

Porabotti etenee yhtä kyytiä noin 15 senttiä. Sitten se tuo jäisen poraussydämen mönkijän laboratorioon analysoitavaksi ja menee ladattavaksi. Samanaikaisesti toinen robotti lähtee jatkamaan työtä.

Kaivamisen sijasta Kuun jäätä ja metalleja voidaan hankkia eräänlaisella tekosalamalla. Salamanisku tekee aineista sähkövarauksisia, ja sellaisina ne voidaan ottaa talteen elektrodeilla.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Tekosalama irrottaa Kuun raaka-aineita

Toteutusaika: 20 vuotta

Kuussa on tarpeellisia aineita, kuten vesijäätä, rautaa, alumiinia ja titaania. NIAC-kilpailun satoa on niiden hyödyntämisen mahdollistava ablaatiotekniikka, joka on kaivamista selvästi helpompi keino.

Menetelmä perustuu keinotekoiseen salamaan, joka syntyy kahden elektrodin välisenä kipinänä eli sähköpurkauksena ja joka irrottaa molekyylejä vedestä tai metallista pinnalta käsin.

Prosessissa aineet ionisoituvat eli saavat sähkövarauksen. Toinen elektrodisarja vetää ioneja puoleensa ja ohjaa ne säiliöihin sähkömagneettisilla kentillä. Kuun pinnalle rakennettava ablaatiolaitos voi tuottaa 10 000 litraa vettä vuodessa siirtokunnan käyttöön.

Ablaatiota tutkitaan nykyään myös keinona siirtää asteroideja pois radalta, joka uhkaa tuoda ne liian lähelle Maata, ja poistaa avaruusromua Maan ympäriltä. Saksalaistutkijat osoittivat vuonna 2018, että vapaasti putoavan hedelmäkarkin nopeutta ja suuntaa oli mahdollista muuttaa ampumalla sitä tehokkaalla laserilla. Muutos perustui aineen irtoamiseen.

Asutus

Kokoon taitettava avaruusasema kasvaa 150-kertaiseksi

Toteutusaika: 20 vuotta

Kantorakettien kärjen ahtaus rajoittaa voimakkaasti avaruuteen kerralla kuljetettavan rahdin määrää.

Lisäksi jokainen tonni kuormaa kasvattaa tehontarvetta. Kärjen lastiruuman pitää olla myös kapea, sillä muuten se huonontaa aerodynaamisia ominaisuuksia ja aiheuttaa lisäpainetta raketin kiitäessä ilmakehän läpi tuhansien kilometrien tuntinopeudella.

Tästä syystä suunnitellaan kokoon taitettavaa avaruusasemaa, joka mahtuu jo olemassa olevan Falcon Heavy -raketin kärkeen ja laajenee 150-kertaiseksi avautuessaan avaruudessa.

Suunnitelmien mukaan avaruusasema rakennetaan niin sanotuista metamateriaaleista, jotka ovat uudenlaisia keinotekoisia aineita. Niillä on ominaisuuksia, joita ei esiinny luonnonmateriaaleilla. Avaruusaseman rakennusaineista voidaan tehdä esimerkiksi aukseettisia. Se tarkoittaa, että materiaali laajenee myös leveyssuunnassa, kun sitä venytetään.

Kun kuminpalaa vedetään, sen pituus kasvaa vetosuunnassa mutta samalla se kapenee. Avaruusasema sen sijaan levenee ja pitenee yhtä aikaa.

Kansainvälinen avaruusasema, ISS, on koottu moduuleista, jotka on kuljetettu useilla eri raketeilla. Kokoon taitettava avaruusasema ahdetaan yhteen rakettiin. Silti siitä tulee kymmenen kertaa niin pitkä kuin ISS:stä.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Kokoon taitettava avaruusasema

* Pituus:
Yli 1 km

* Painovoima:
Noin 1 G (sama kuin maapallolla)

* Materiaalit:
Aukseettisia metamateriaaleja

* Paino:
Ei tiedossa

* Kierrosta minuutissa:
1–2

© NASA

Kansainvälinen avaruusasema

* Pituus:
109 m

* Painovoima:
0 G (painoton)

* Materiaalit:
Alumiini, teräs, titaani, Kevlar

* Paino:
440 tonnia

* Kierrosta minuutissa:
0

Ilmenemistapa vaikuttaa puhaltamalla pullistamiselta, mutta täyttämisen aiheuttama laajeneminen perustuu sisäisen paineen kasvuun. Aukseettinen materiaali laajenee sen sijaan oman rakenteensa vuoksi.

Metamateriaaleja voidaan käyttää esimerkiksi luotiliiveissä. Niissä tekokuidut, joilla on aukseettisia ominaisuuksia, vahvistuvat sillä hetkellä, kun ammus osuu ja venyttää materiaalia kumpaankin suuntaan.

Avaruusasemasta tulee ainakin kilometrin pituinen, ja se pyörii 1–2 kierroksen minuuttivauhtia keinotekoisen painovoiman aikaansaamiseksi. Sen ansiosta astronautit voivat välttyä painottomuudesta johtuvilta fysiologisilta ongelmilta, joita ovat muun muassa lihas- ja luukato, munuaiskivet ja näköhäiriöt.

Avaruudessa ei ole viljelymaata, jossa voidaan kasvattaa ravintoa. Ongelman ratkaisuksi ehdotetaan asteroidia, jolle luodaan keinotekoinen ilmakehä ja jolla sienten annetaan muokata kalliota kasvien kasvualustaksi.

© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

Asteroidista tehdään astronauttien kasvimaa

Toteutusaika: 50 vuotta

Kun astronautit oleskelevat kauan kaukana avaruudessa, heidän pitää pystyä tuottamaan ruokaa itselleen. Omavaraisuutta ravinnon suhteen voidaan tuskin saavuttaa vain vesiviljelyllä. Riittävä elintarviketuotanto esimerkiksi Marsissa vaatii melko varmasti jonkinlaiseen multaan perustuvaa maataloutta.

Vision mukaan sienet luovat hiilipitoisissa asteroideissa viljelykelpoista maata. Asteroidi pitää kuitenkin sulkea kirkkaaseen pussiin, joka läpäisee auringonvaloa ja estää sienille elintärkeää keinotekoista ilmakehää häviämästä.

Kun sienet kasvattavat asteroidissa sienirihmoja, ne saavat aikaan kalliota hajottavaa painetta. Lisäksi sieni-itiöt sisältävät kiviainesta liuottavaa happoa.

Sienillä uskotaan olleen suuri merkitys maan syntymiselle kotiplaneetallamme, sillä ne hajottavat tehokkaasti monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä, joista osa on eliöille haitallisia. Tutkimusten mukaan esimerkiksi öljyn saastuttamaa maaperää voidaan puhdistaa osterivinokkaiden avulla.

Teleskooppi kerää auringonvaloa ja lähettää sitä paneeleihin, jotka tuottavat sähköä mönkijöille ja avaruusasemille.

© Ronald Neale

Teleskooppi palvelee johdotonta sähkönsiirtoa

Toteutusaika: 20 vuotta

Toisten taivaankappaleiden asutus vaatii sähköä mönkijöille, avaruusasemille ja koneille. Light Bender-konseptissa sähköä siirretään johdottomasti, jottei Kuuhun tarvitse perustaa laajaa jakeluverkkoa.

Heliostaatiksi kutsuttuun keskustorniin sijoitetaan niin sanottu Cassegrain-kaukoputki, joka kerää ja keskittää auringonvaloa. Valoa kerätään ja keskitetään lisää Fresnel-linsseillä yksittäisinä säteinä, jotka suunnataan sinne, missä sähköä tarvitaan.

Valo muutetaan sähköksi 2–4-metrisillä aurinkopaneeleilla siinä mönkijässä tai koneessa, joka tarvitsee virtaa. Kyse voi olla vaikka kaivosrobotista, joka työskentelee Kuun kraatterin pimeällä pohjalla. Kun kraatterin reunalle asetetaan peili, se heijastaa Light Benderin valoa sinne, minne auringonsäteet eivät yleensä pääse.

Menetelmää pidetään tehokkaampana kuin esimerkiksi energiansiirtoa lasertekniikalla, jossa valo pitää ensin muuttaa lasersäteiksi. Koska Light Bender -järjestelmässä valo muuttuu sähköksi vain kerran, energiahäviö jää pienemmäksi.