Avaruusalus, Mars

Lasersäteet voivat viedä Marsiin ennätysvauhtia

Kanadalaistutkijat ovat asettaneet itselleen kovan tavoitteen. He suunnittelevat avaruusaluksia, jotka lentävät Marsiin 45 päivässä Maasta ammuttujen lasersäteiden kiidättäminä. Jos tekniikka toteutuu, kaikkeutta voidaan tutkia hyvin laajasti.

Kanadalaistutkijat ovat asettaneet itselleen kovan tavoitteen. He suunnittelevat avaruusaluksia, jotka lentävät Marsiin 45 päivässä Maasta ammuttujen lasersäteiden kiidättäminä. Jos tekniikka toteutuu, kaikkeutta voidaan tutkia hyvin laajasti.

Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

Lasertykin laukaussarja lähtee kohti taivasta.

Matkalla ilmakehän läpi säteet kokoontuvat kimpuksi, joka kohdistuu 13 000 kilometrin päässä Maasta leijuvaan, ihmisiä kuljettavaan avaruusalukseen.

Sädekimppu osuu laajaan peiliin, joka ohjaa sen rakettimoottorien kuumakammioon. Siellä poistokaasu lämpenee 40 000-asteiseksi, ja alkaa uskomaton kiihdytys 50 000 kilometrin tuntinopeudella.

Kun aiemmin avaruusalukset ovat lentäneet Marsiin 200 vuorokaudessa, lasersäteiden tuen ansiosta astronauttien matka kestää vain 45 päivää.

Visio toteutuu siinä tapauksessa, että kanadalaisen McGillin yliopiston insinööriryhmä onnistuu korvaamaan tulevaisuuden Mars-lennoilla perinteisen polton.

Jos lasertekniikkaa voidaan soveltaa avaruusaluksissa, ihmiskunnalle tarjoutuu aivan uusi mahdollisuus tutkia Aurinkokunnan etäisimpiä osia.

Tekniikkaa on kehitetty 50 vuotta

Ajatus työntövoiman tuottamisesta avaruusalukselle lasereilla ei ole suinkaan uusi. Se esitettiin nimittäin jo puoli vuosisataa sitten.

Vuonna 1972 yhdysvaltalainen fyysikko ja insinööri Arthur Kantrowitz selitti, kuinka on ainakin teoriassa mahdollista lähettää satelliitti lasersäteiden avulla.

Tuolloin ideaa ei voitu toteuttaa käytännössä, sillä tarpeeksi voimakkaita lasereita ja säteiden kimputtamiseen ja kimpun tarkkaan kauko-ohjaamiseen tarvittavaa tekniikkaa ei ollut vielä olemassa.

Arthur Kantrowitzin tieteellistä työtä ei ole kuitenkaan unohdettu. Siitä ovat saaneet innoitusta tutkijasukupolvet toinen toisensa jälkeen, ja myös McGillin yliopiston insinöörit ovat ammentaneet siitä tietoa.

Lasersäteilyllä toimiva avaruusraketti

On visioitu, että tulevilla Mars-lennoilla avaruusaluksia vievät eteenpäin lasersäteet, jotka kohdistetaan rakettimoottoreihin ulkopuolella olevalla laajalla peilillä.

© Emmanuel Duplay

Lasertekniikkaa voidaan hyödyntää luotaimissa, jotka kulkevat Aurinkokunnan ulko-osiin, ja teleskoopeissa, jotka toimivat kaukana maapallolta. Ne laajentavat ihmisen näköpiiriä kaikkeudessa.

Ensi alkuun kanadalaisinsinöörit keskittyvät kuitenkin kehittämään lasertekniikkaa Mars-lentoa varten. Tavoitteena on lyhentää matka-aikaa merkittävästi.

Nopea lento Marsiin ei ainoastaan tee matkustamisesta vähemmän pitkästyttävää, vaan se myös auttaa astronautteja pysymään kunnossa.

Marsiin matkaavat alkavat ennen pitkää kärsiä painottomuuden haitoista, kuten luu- ja lihaskadosta, ja heidän terveyttään uhkaa Maata suojaavan magneettikentän ulkopuolella haitallinen kosminen säteily, joka altistaa syövälle.

Sairastuttavien säteilyvaurioiden riski on tietenkin pienempi lyhyellä kuin pitkällä avaruuslennolla.

Mars-alus voi saavuttaa yli 50 000 kilometrin tuntinopeuden, kun rakettipolttoaine kuumennetaan lasersäteillä eikä sitä polteta. Niinpä lento Marsiin kestää vain 45 vuorokautta.

Lasersäteilyllä toimiva avaruusraketti
©

1. Maasta ammutaan alusta laserilla

Tietokoneohjauksinen 100 neliömetrin laajuinen tykki ampuu tauotta tunnin ajan lasersäteitä. Kimpun kohteena on avaruusalus, joka on valmiina odottamassa Maata kiertävällä radalla noin 13 000 kilometrin korkeudessa.

Lasersäteilyllä toimiva avaruusraketti
©

2. Laaja peili kohdistaa säteet

Lasersäteet osuvat levitettävään, lautasantennia muistuttavaan heijastimeen, jonka läpimitta on kymmenen metriä. Heijastin ohjaa laservalon kuumakammioon, johon johdetaan jatkuvasti vetyä.

Lasersäteilyllä toimiva avaruusraketti
©

3. Kuuma kaasu purkautuu

Lasersäteet kuumentavat vedyn noin 40 000-asteiseksi. Kaasu laajenee voimakkaasti ja työntyy rajusti ulos rakettisuuttimesta. Koska virtaus suuntautuu taakse, avaruusalus liikkuu eteenpäin jopa 50 000 km/h.

Nykytutkimus ei tähtää satelliittien lähettämiseen laservalon avulla. Sen sijaan tavoitteena on antaa vauhtia Maata kiertävällä radalla odottaville avaruusaluksille, jotka on kuljetettu sinne perinteisillä kantoraketeilla.

Suunnitelmien mukaan erittäin voimakas lasersädekimppu suunnataan Mars-aluksen ulkopuolella sijaitsevaan peiliin, jota voidaan kutsua myös heijastimeksi.

Peili ohjaa laservalon kammioon, johon syötetään jatkuvasti vetyä.

Kun kaasu kuumenee, se laajenee ja purkautuu rakettisuuttimesta. Silloin syntyy työntövoimaa, joka vie avaruusalusta eteenpäin kiihtyvää vauhtia.

Lasersäteitä pitää ampua peiliin tunnin ajan, jotta alus voi saavuttaa uskomattoman 50 000 kilometrin tuntinopeuden.

Asiantuntijat puhuvat menetelmään viitatessaan lasersäteilyllä toimivasta raketista. Sitä on alettu pitää keksintönä, jolla on avaruusalalla tulevaisuutta.

Juri Milner Stephen Hawking

Vuonna 2016 miljardööri Juri Milner ja astrofyysikko Stephen Hawking kertoivat hankkeesta, jossa kehitetään pientä laserkäyttöiseen avaruuspurjeeseen perustuvaa Alfa Centauri -tähtijärjestelmän luotainta.

© Jemal Countess/Getty Images

Avaruusraketin työntövoima määräytyy Newtonin kolmannen lain mukaan. Englantilaisfyysikko laati sen melkein 350 vuotta sitten.

Kyse on voiman ja vastavoiman laista: jos kappale A vaikuttaa kappaleeseen B tietyllä voimalla, B vaikuttaa A:han yhtä suurella vastakkaisella voimalla.

Kun rakettimoottorin pakokaasut purkautuvat suuttimesta, raketti liikkuu päinvastaiseen suuntaan eli eteenpäin virtausta vastaavalla voimalla.

Raketin nopeuden kasvu riippuu etenkin siitä, kuinka korkeaksi pakokaasujen lämpötila nousee, kun ajoaine palaa polttokammiossa.

Mitä kuumempia poistuvat kaasut ovat, sitä kovempaa vauhtia ne purkautuvat – ja sitä suuremman nopeuden raketti saavuttaa.

Aurinko ja planeetat
©

Laserkäyttöinen alus lentää suoraan

Aina 26 kuukauden välein Maa ja Mars ovat siinä asemassa toisiinsa nähden, että on mahdollista käyttää vähiten polttoainetta kuluttavaa lentorataa.

Hohmannin siirtoratana tunnetulla reitillä hyödynnetään avaruusaluksen ”linkoamiseen” sitä nopeutta, joka kahdella planeetalla on jo valmiiksi niiden kiertoliikkeen ansiosta.

Kun alus liikkuu Hohmannin siirtorataa pitkin, moottorien tarvitsee käydä vain lähdössä ja matkan lopussa – jarrutuksen ja Marsin kiertoradalle asettumisen takia.

Avaruudessa ”kruisailu” tekee lennosta Marsiin seitsemisen kuukautta kestävän kaukomatkan (katkoviiva).

Lasersäteilyllä toimiva raketti (sininen viiva) voi lähteä paljon suuremmalla nopeudella ja jarruttaa selvästi rajummin perillä.

Siksi Marsiin on mahdollista lentää niinkin nopeasti kuin 45 päivässä.

Nykyisissä avaruusraketeissa moottorien polttolämpötila nousee yleensä noin 3 200 asteeseen.

Koska tarkasti kohdennetut lasersädekimput kuumentavat tehokkaammin moottoreista poistuvaa kaasua, tutkijoiden mukaan lasersäteilyllä toimivassa raketissa voidaan saavuttaa käsittämätön 40 000 asteen lämpötila.

Siitä seuraa, että matka-aika lyhenee selvästi ja avaruusalus voi kuljettaa kymmenkertaisen määrän hyötykuormaa ajoainekiloa kohti.

Lasertykki sylkee energiaa

Siitä, että monta pientä laseria voi toimia yhdessä yhtenä suurena tykkinä, saadaan kiittää ennen kaikkea uutta, toiveita herättävää tekniikkaa, jota ilman nopeat Mars-lennot voisivat jäädä haaveeksi.

Kalifornian yliopistossa ja Australian kansallisessa yliopistossa kehitetään lasertykkiä, joka perustuu niputettuihin edullisiin ja tarkkoihin lasereihin. Siinä syntyvää infrapunalaservaloa voimistetaan valokuiduilla.

Fyysikot pyrkivät yhdistämään tuhansia tai jopa miljoonia lasereita yhdeksi mahtilaseriksi, jota voidaan ohjata sähköisesti niin, että sädekimppu osuu aina avaruusalukseen.

Tutkimus on edennyt jo pitkälle, ja puhtaasti teknisessä mielessä tavoite voi olla saavutettavissa jo lähiaikoina.

Pinta-alaltaan kymmenen kertaa kymmenen metriä oleva lasertykki pystyy tutkijoiden mukaan lähettämään niin paljon energiaa, että se heittää ihmisiä kuljettavan avaruusaluksen nopeasti Marsiin.

Lasersäteet voivat mullistaa avaruuslennot

Nykyisissä rakettimoottoreissa poltetaan ajoainetta. Tulevaisuudessa avaruusalukset voivat liikkua Maasta ammuttujen lasersäteiden voimalla. Idea on mahdollista toteuttaa kolmella tavalla.

Lasersäteilyllä toimiva avaruusraketti
©

1: Laservalo kuumentaa vetyä

Voimakas lasersädekimppu ohjataan peilillä rakettimoottoriin, jossa se nostaa vedyn lämpötilan tuhansiin asteisiin. Kun kaasu laajenee, se purkautuu rajusti suuttimesta ja avaruusalus liikkuu eteenpäin.

Avaruusalus
©

2: Sähkömoottori käy valolla

Ionimoottori saa tarvitsemansa virran paneelista, johon suunnataan lasersäteitä. Moottorissa sähköisesti varautuneet hiukkaset saavuttavat yli 100 000 kilometrin tuntinopeuden. Kun ne purkautuvat ulos, alus lentää.

Avaruus
©

3: Valo pullistaa purjetta

Laservalon säteilypaine työntää avaruusalusta, joka on varustettu aurinkopurjeella, samalla tavalla kuin tuuli kuljettaa purjevenettä. Paine on pieni, mutta vähitellen hyvin kevyen aluksen vauhti kasvaa melkoiseksi.

Insinöörit ovat selvittäneet vain menomatkan. Paluu Marsista saattaisi onnistua vanhalla tavalla eli hitaasti käyttämällä kemiallisia rakettimoottoreita.

Muuta vaihtoehtoa tuskin olisi, ennen kuin Marsiin perustettaisiin varsinainen siirtokunta, jolla olisi kunnollinen energiahuolto ja joka voisi rakentaa riittävän järeän lasertykin. Sitten laserenergialla olisi mahdollista sekä jarruttaa tulevia että kiihdyttää lähteviä avaruusaluksia.

Laserjärjestelmillä voitaisiin pitää yllä säännöllistä reittiliikennettä Maan ja Marsin välillä silloin, kun planeettojen asema toisiinsa nähden olisi suotuisa.

Sekä Yhdysvallat että Kiina kaavailevat lähettävänsä ihmisiä Marsiin 2030-luvulla. Heitä eivät kuitenkaan vie perille lasersäteet.

60 minuuttia – näin pian Maasta lähetetyt lasersäteet nostavat avaruusaluksen nopeuden 50 000 kilometriin tunnissa.

Ensimmäisenä Marsiin lähteviä ammattilaisastronautteja kuljettavat vanhat, koetellut avaruusraketit. Vasta sen jälkeen, kun Marsissa asutaan pysyvästi, tarvitaan tehokkaampia kuljetusvälineitä.

Avaruusalalla toimivan SpaceX-yhtiön toimitusjohtaja Elon Musk on esittänyt kunnianhimoisen vision Marsiin vuoteen 2050 mennessä perustettavasta suurkaupungista.

McGillin yliopiston tutkijaryhmään kuuluva lehtori Andrew Higgins on arvioinut, että lasersäteilyllä toimivilla raketeilla voidaan kuljettaa ihmisiä jo vuoden 2040 tienoilla.

Superteleskooppi kuvaa eksoplaneettoja

Uudenlainen rakettimoottori sopii myös tutkimusluotaimiin, joilla kartoitetaan Aurinkokunnan laitamia.

Uloimpia planeettoja, Uranusta ja Neptunusta, ei ole luodattu sitten 1980-luvun, jolloin yhdysvaltalainen Voyager 2 ohitti ne.

Tuolloin lento Neptunukseen, joka sijaitsee noin 4,5 miljardin kilometrin päässä Maasta, kesti 12 vuotta. Jos luotain varustetaan lasersäteilyllä toimivalla moottorilla, matka-aika lyhenee alle viiteen vuoteen.

Tähän mennessä kauimmaksi ehtinyt avaruusalus on Nasan Voyager 1 -luotain, joka on päässyt 45 vuodessa 23 miljardin kilometrin päähän Maasta. Teleskoopin avaruuteen vievä laserkäyttöinen alus voi teoriassa kulkea paljon pitemmälle parissa vuosikymmenessä.

Ensimmäisenä lasersäteilyllä toimivia raketteja käytettäneen kuitenkin Marsin tutkimuksessa.

Jos tekniikka otetaan käyttöön ja matka Maan naapuriplaneetalle kestää vain 45 päivää, monilla voi olla muuttohaluja. Pysyvä asutus saattaa johtaa säännöllisen planeettojenvälisen liikenteen alkamiseen.