Kuvittele avaruussiirtokunta, jossa on tilaa miljoonille asukkaille ja joka tarjoaa heille kaupunkimaisen elinympäristön metsien, peltojen, jokien ja järvien keskellä. Siellä ei tarvitse käyttää avaruuspukua eikä happilaitetta, pelätä kosmisen säteilyn aiheuttamia sairauksia eikä kärsiä liian heikosta painovoimasta.
Lyhyesti sanottuna: siirtokunnassa eletään samalla tavalla kuin maapallolla ja päästään bonuksena eroon huonosta säästä ja sellaisista luonnonmullistuksista kuin tulivuorenpurkaukset, maanjäristykset ja tulvat.
Kuulostaako liian hyvältä ollakseen totta? Suomalainen fyysikko Pekka Janhunen vakuuttaa, että asia on näin. Hänen käsityksensä mukaan on mielekkäämpää perustaa siirtokunta kääpiöplaneetta Ceresiä kiertävälle radalle kuin Marsiin tai Kuuhun.
Siirtokunnassa voi olla asukkaita enemmän kuin maapallolla.
Janhunen on selvittänyt, mitä vaatii niin suuren siirtokunnan rakentaminen, että siinä voi ajan mittaan olla enemmän asukkaita kuin maapallolla ja että se tarjoaa todellisen vaihtoehdon Maassa elämiselle. Hän on varma, että Ceresin siirtokunta voi täyttää kaikki vaatimukset.
”Se olisi kuin paratiisi. Rikas ja moninainen kuin oma maailmamme. Siirtokunnan tutkimiseen kuluisi koko elämä”, kertoo Pekka Janhunen Tieteen Kuvalehdelle.
Kaikki voivat hengittää vapaasti
Janhunen on koulutukseltaan fyysikko, jonka erikoisalaa on avaruusplasma, ja hän toimii Ilmatieteen laitoksen tutkimuspäällikkönä. Hänen kiinnostustaan Ceresiä kohtaan selittää muun muassa se, että kääpiöplaneetan pinnalla esiintyy runsaasti eri raaka-aineita, kuten typpeä, jota voidaan hyödyntää tuotettaessa siirtokunnalle ilmaa.
Pekka Janhunen on mieltynyt asteroidivyöhykkeellä sijaitsevaan kääpiöplaneetta Ceresiin. Hän uskoo, että se on parempi paikka avaruussiirtokunnalle kuin Kuu tai Mars.
Sopiva ilmakehä on avaruussiirtokunnan tärkeimpiä ominaisuuksia. Kun siellä eletään koko elämä, on hyvä, jos elinolosuhteet ovat mahdollisimman samanlaiset kuin maapallolla.
Esimerkiksi se, ettei hengityslaitetta tarvitse käyttää, vaatii, että siellä missä liikutaan, kaasuseos sisältää 79 prosenttia typpeä ja 20 prosenttia happea.
Toinen keskeinen tekijä on vesi. Senkin osalta Ceres tarjoaa ratkaisun. Kääpiöplaneetan kraattereiden suuret suolakerrostumat ovat peräisin valtavista kallioperän suolavesiesiintymistä.
Avaruusluotain Dawn on ottanut lähikuvia Ceresin kraattereiden suurista suolakerrostumista. Ne ovat syntyneet, kun kallioperästä on purkautunut suolaista vettä pintaan ja vesi on haihtunut.
Ceres on läpimitaltaan 945-kilometrisenä Marsin ja Jupiterin välisen asteroidivyöhykkeen suurin kappale. Maan halkaisija on 12 742 kilometriä ja Kuun 3 475 kilometriä. Ceresin pinnalla vallitsee 34 kertaa pienempi painovoima kuin maapallolla.
Nimenomaan Ceresin koko tekee siitä sopivan siirtokunnalle. Kappale on niin iso, että se voi tyydyttää sitä kiertävän valtavan siirtokunnan raaka-aineiden tarpeen. Samalla se on kuitenkin niin pieni, ettei painovoima hankaloita liikaa raaka-aineiden kuljettamista siirtokuntaan.
Avaruussiirtokunnan kultakaivos
Runsaasti raaka-aineita
Ceres sisältää kaikkia niitä raaka-aineita, joita siirtokunta tarvitsee – hengitysilman tuottamiseen tarvittavaa typpeä myöten.
Paljon vettä
Siirtokunnalta ei lopu vesi. Ceresissä on laajoja kallioperän suolavesiesiintymiä. Veden ja jään osuus kääpiöplaneetan massasta voi olla jopa 30 prosenttia.
Sopiva painovoima
Siirtokunta voi kiertää Ceresiä vakaata rataa 100 000 kilometrin päässä. Etäisyys on noin neljäsosa Maan ja Kuun välisestä matkasta.
Sekä raaka-aineiden saatavuus että hyvät kuljetusmahdollisuudet merkitsevät paljon Janhusen visiossa Ceresiä kiertävästä megasatelliitista.
Siirtokunta jatkaa kasvuaan
Kääpiöplaneettaa 100 000 kilometrin etäisyydellä kiertävä megasatelliitti rakennetaan pääosin suuresta määrästä lieriöitä, jotka kiinnittyvät pyöreään kehykseen. Kehyksen ylä- ja alapuolelle olevat valtavat peilit keräävät auringonvaloa ja heijastavat sitä siirtokuntaan.
Kehystä voidaan ajan mittaan laajentaa niin, että sen läpimitta on noin 12 000 kilometriä – tai jopa enemmän. Planeetan tai kuun rajallisen pinta-alan sijasta Ceres-siirtokunnalle on tarjolla periaatteessa loputtomasti tilaa kasvulle. Janhusen mukaan siirtokunnassa voi ennen pitkää olla enemmän asukkaita kuin tätä nykyä maapallolla.
Jokainen – habitaatiksi kutsuttu – lieriö on viisi kilometriä pitkä. Halkaisijaltaan kaksi kilometriä olevan moduulin ulkokuori antaa suojaa avaruudesta tulevaa säteilyä vastaan. Sisempi lieriö luo pyöriessään keinotekoisen painovoiman.
Janhusen idea perustuu siten niin sanottuun O’Neillin sylinteriin, joka on yhdysvaltalaisen fyysikon Gerald K. O’Neillin 1970-luvulla esittämä avaruusasemakonsepti.
Ceresiä kiertävän avaruussiirtokunnan idea perustuu niin sanottuun O’Neillin sylinteriin, joka pyöriessään luo keinotekoisen painovoiman.
Jokainen habitaatti pyörähtää kerran noin minuutissa. Silloin syntyy keinotekoinen painovoima, joka vastaa Maan pinnalla vallitsevaa painovoimaa (1 g). Pyörittämiseen käytetään maglev-junien magneettiradasta tuttua tekniikkaa.
Magneettinen levitaatio tarkoittaa sitä, että ulkokuori ja pyörivä sisälieriö eivät kosketa toisiaan. Siksi osat eivät kulu eivätkä myöskään tarvitse jatkuvaa huoltoa ja korjausta.
Pyöriminen turvaa terveyden
Janhunen pitää keinotekoista painovoimaa olennaisena, kun tavoitteena on saada aikaan pysyvä asuinpaikka ihmisille. Kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS) tehtyjen tutkimusten mukaan pitkäaikainen oleskelu painottomuudessa aiheuttaa terveysongelmia.
Ihmiskeho on sopeutunut toimimaan ja kehittymään Maan painovoimakentässä, ja painottomuus alkaa ennen pitkää heikentää lihaksistoa ja luustoa ja johtaa esimerkiksi näköhäiriöihin ja munuaiskivien syntymiseen.
Samoista ongelmista kärsittäisiin todennäköisesti myös Kuuhun tai Marsiin perustettavassa siirtokunnassa, koska painovoima on kummassakin olennaisesti heikompi kuin Maassa.
”Normaali painovoima on välttämättömyys hyvän terveyden ja lasten luonnollisen kasvun kannalta”, toteaa Pekka Janhunen.
Maalla ja kaupungissa kuten Maassa
Elämän pitäisi siirtokunnassa olla hyvin pitkälle samanlaista kuin maapallolla. Vaikutelma tavallisesta vuorokausirytmistä, jossa yö päivä vuorottelevat 24 tunnin aikana, voidaan saada aikaan heijastamalla auringonvaloa habitaatteihin siirtokuntaa reunustavilla peileillä.
Janhusen vision mukaan habitaatin asukkaat voivat liikkua kaupunki- ja maaseutumaisissa ympäristöissä, vierailla toisissa habitaateissa ja siten matkailla siirtokunnassa.
Saarivaltio avaruudessa
Siirtokunta koostuu habitaateiksi kutsutuista lieriömoduuleista, joiden läpimitta on kaksi kilometriä ja pituus viisi kilometriä. Kuhunkin mahtuu 25 000 asukasta. Siirtokunnassa on mahdollista matkailla kuin saaristossa siirtymällä habitaatista toiseen.
Pyöriminen luo keinotekoisen painovoiman
Habitaatin sisälieriötä peittää ulkokuori. Magneettien leijuttama sisälieriö pyörähtää kerran minuutissa. Pyöriminen luo keinotekoisen painovoiman, joka vastaa Maan pinnalla vallitsevaa painovoimaa.
Peilijärjestelmä säätelee valoa
Auringonvalo ei läpäise ulkokuorta, joka suojaa habitaatin asukkaita kosmiselta säteilyltä. Siksi useat paraboliset peilit heijastavat valoa aukkoihin, jotka sijaitsevat habitaatin päässä reunan alla.
Vettä, maata ja ilmaa Ceresistä
Habitaatin sisälle tehdään 1,5 metriä paksu maaperä Ceresistä tuoduista aineista. Ceresistä voidaan hakea myös vettä ja typpeä, jota tarvitaan hengitettävän sisäilman tuottamiseen.
Maaseutu ja kaupunki yhdessä
Habitaattien kaupunkimainen ympäristö kohoaa maastosta, jossa on metsiä, järviä, jokia ja peltoja. Lieriöstä toiseen pääsee maanalaisella.
Habitaatit ovat vehreitä keitaita. Puistot ja metsät ovat tärkeässä osassa, ja pelloilla kasvatetaan ruokaa asukkaille.
Viher- ja viljelyalueet vaativat luonnollista maata, ja ajatuksena on, että habitaatit saavat vähintään 1,5 metrin paksuisen maapohjan.
Se, mistä maaperä loihditaan, on vielä hämärän peitossa. Maata ei ainakaan kannata rahdata maapallolta. Janhunen pitää mahdollisena, että Ceresistä saadaan tarvittavat ainekset.
”Ceres sisältää kaikki elämän rakennuspalikat. Avoin kysymys on, paljonko ja millaista biologista, mekaanista tai kemiallista käsittelyä tarvitaan, jotta Ceresin raaka-aineista saadaan käyttökelpoista multaa. Tarvitaan näytteitä Ceresistä ja maankäsittelyn asiantuntijoiden neuvoja, ennen kuin voidaan tehdä konkreettisia päätelmiä”, selittää Janhunen.
Suomalaisfyysikolla on sen sijaan tarkat laskelmat siitä, kuinka kaikki aineet kuljetetaan Ceresistä 100 000 kilometrin päässä sijaitsevaan siirtokuntaan.
Avaruushissi kuljettaa
Janhunen arvioi, että avaruushissin käyttäminen kuluttaa vähemmän energiaa kuin rakettien lähettäminen pinnalta. Se, että Ceres pyörii suhteellisen nopeasti, mahdollistaa avaruushissin, joka yhdistää pinnan pieneen, 1 024 kilometrin korkeudessa kiertävään satelliittiin.
Näin kaukana Ceresin painovoimavaikutus on niin paljon heikompi, että avaruusalukset tarvitsevat vähemmän polttoainetta rahdin kuljettamiseen perille.
Hissi nostaa raaka-aineet pinnalta
1. Hissi pyörii Ceresin mukana
Ceresin pyöriminen mahdollistaa avaruushissin, joka yhdistää pinnan ja satelliitin kaapelilla. Satelliitti seuraa kiertoliikettä, joten sen sijainti suhteessa pintaan ei muutu.
2. Ensimmäinen vaihe on raskain
Kerralla viisi tonnia rahtia 1 024 kilometrin korkeuteen nostava hissi ponnistelee kääpiöplaneettaa ympäröivää painovoimakenttää vastaan. Hissin tarvitsema energia tuotetaan aurinkopaneeleilla.
3. Avaruusalukset vievät perille
Kun rahti on 1 024 kilometrin päässä Ceresiä kiertävällä radalla, se siirretään avaruusalukseen. Vaikka matkaa on 99 000 kilometriä, polttoaineenkulutus pysyy maltillisena, koska aluksen ei ole tarvinnut käydä Ceresissä.
Avaruushissi rakennetaan vaiheittain. Ensimmäinen versio on viisi senttiä leveä putki, joka on valmistettu noin 15 kertaa terästä lujemmasta Dyneema-kuidusta ja joka voi nostaa viisi tonnia ainetta kerralla. Myöhemmin nostokapasiteettia voidaan lisätä vahvistamalla ja kehittämällä hissin rakennetta.
Siirtokunta edellyttää uusia raketteja
Janhusen laskelmien mukaan siirtokunta voidaan rakentaa parhaassa tapauksessa 22 vuodessa. Näin lyhyt aika vaatii kuitenkin uusia teknisiä ratkaisuja.
Siirtokunnan perustamisvaiheessa Maasta täytyy lentää monta kertaa Ceresiin. Kääpiöplaneetta kiertää Aurinkoa 260 miljoonaa kilometriä kauempana kuin Maa, ja nykyisillä avaruusaluksilla matka kestäisi ainakin seitsemän kuukautta.
Niin sanotut ionimoottorit voivat tehdä avaruusaluksista nopeampia. Ionimoottoreita on jo kehitetty, ja käyttämällä jalokaasu ksenonia voidaan saavuttaa hyvin suuri nopeus. Janhusen mukaan tekniikkaa pitää kuitenkin kehittää eteenpäin, jotta ionimoottorit toimivat edullisemmilla polttoaineilla, kuten vedellä.
Suomalaisfyysikko on kuitenkin toiveikas. Hän huomauttaa, että monia nykyään yleisessä käytössä olevia teknisiä saavutuksia edelsi 30–50 vuoden valmistelu. Esimerkiksi kelpaavat tietokoneet, joista saatiin lopulta niin pieniä ja edullisia, että niitä voitiin myydä kotikäyttöön.
On hyvinkin mahdollista, että avaruuslennot arkipäiväistyvät samalla tavalla kuin kansainväliset lennot aikoinaan. Aluksihan lentämällä matkustivat vain harvat, mutta nykyään lentokone on joukkoliikenneväline.
Kehitteillä oleva Starship voi olla tärkeässä osassa, kun Maan ulkopuolelle perustetaan siirtokunta.
Jos esimerkiksi avaruusalan yritys SpaceX onnistuu tekemään Starship-aluksestaan edullisen kuljetusvälineen, Janhusen mukaan voidaan päästä pitkä harppaus eteenpäin Ceresiä kiertävän siirtokunnan perustamisessa.
”Tarvitaan taloudellinen kannustin. Kun kiinteistö Maan ulkopuolella maksaa vähemmän kuin huoneisto Pariisissa tai New Yorkissa, alkaa tapahtua”, uskoo Janhunen.