Nasan puhallettava teknologia: Mars-hankkeisiin idea kylpyleluista
Avaruusraketeissa on ratkaiseva ongelma: niistä puuttuu tilaa. Nyt avaruusinsinöörit rakentavat puhallettavia aluksia ja Mars-tukikohtia, jotka yksinkertaisesti pumpataan täyteen, kun niitä tarvitaan. Näin monet mahdottomilta vaikuttaneet Aurinkokunnan tutkimushankkeet voivat toteutua.
Lautasen muotoinen kappale nousi Maasta avaruusraketissa.
Raketin kierrettyä Maata noin tunnin sen nokka avautui ja sieltä liiteli ulos pyöreä kappale, joka pudotessaan saavutti 29 000 kilometrin tuntinopeuden.
Ilmakehän ilmanvastuksen vuoksi kappale muuttui punahehkuiseksi matkallaan kohti Tyyntämerta.
Merellä Nasan insinöörit odottivat laivassaan.
Oikeastaan ilmakehään törmäämisen olisi pitänyt polttaa kappale poroksi.
Kappale kuitenkin muutti muotoaan pudotessaan ja plumpsahti vahingoittumattomana mereen, mistä Nasan tutkijat nostivat sen talteen. Kaiken takana oli kekseliäs tekniikka: kappale oli puhallettava.
Juuri ennen kuin kappale vapautettiin Atlas V -raketista, siihen pumpattiin typpeä niin, että se pullistui lähes viisinkertaiseksi ja pystyi siten pudotessaan jarruttamaan paljon tehokkaammin.
Oli marraskuun 10. päivä vuonna 2022, kun Nasa ensi kertaa kokeili onnistuneesti puhallettavaa lämpökilpeä, jolle on suunniteltu avainroolia tulevissa avaruushankkeissa.
Jokaisella avaruuslennolla rajoituksena on raketin nokan tila. Avaruusjärjestöt suunnittelevat kunnianhimoisia matkoja koko Aurinkokuntaan, mutta nykyrakettien lastiruumat ovat liian ahtaita. Niissä ei voida kuljettaa riittävästi tarvikkeita ja ihmisiä joutumatta tinkimään turvallisuudesta lentojen laskeutumisvaiheessa.
Nasan uusi puhallettava lämpökilpi on nostettu laivaan sen pudottua vaurioitumattomana Tyyneenmereen.
Ongelman ratkaisee puhallettava kilpi, mutta lämpökilpi ei ole ainoa, josta avaruusjärjestöt ja avaruusyritykset haluavat tehdä puhallettavan.
Suurista ”avaruuskylpyleluista” muodostetaan myös asuintilat ihmisille, kun Kuuta ja Marsia aletaan asuttaa.
Raketeista puuttuu tilaa
Nasan uuden lämpökilven kaltaisen puhallettavan tekniikan on määrä ratkaista ongelma, joka on piinannut avaruusteollisuutta sen alusta alkaen: rakettien rajallinen tila.
Suurimpiinkaan nykyraketteihin ei mahdu esineitä, joiden läpimitta on yli 4,6 metriä.
Kansainvälinen avaruusasema ISS on 108 metrin pituisena suurin ihmisen tekemä konstruktio avaruudessa. Sen kokoaminen monesta pienestä moduulista vaati yli 30 avaruuslentoa.
Lämpökilven kuidut ovat 15 kertaa niin vahvoja kuin teräs.
Periaatteessa Kuun ja Marsin tukikohdat voitaisiin rakentaa samoin kuin ISS, mutta myös suuremmilla lastiruumilla varustetuilla uuden sukupolven raketeilla siitä tulisi liian kallista ja vaivalloista.
Insinöörit kehittävät siksi muun muassa 3D-tulostusteknologiaa, jolla voidaan ”tulostaa” asuinmoduuleja muilla taivaankappaleilla olevasta kiviaineksesta. Se edellyttää kuitenkin monimutkaisen tulostusteknologian kuljettamista, ja siksi menetelmää tuskin voidaan lähitulevaisuudessa ottaa käyttöön.
Tehokkaampi, yksinkertaisempi ja luotettavampi ratkaisu ovat puhallettavat moduulit, jotka taitetaan kokoon kuljetuksen ajaksi.
Astronauttien koti avautuu avaruudessa
Nasan puhallettavan LOFTID-lämpökilven uraauurtava testi onnistui kilven rakenteen ansiosta. Se koostuu pääasiassa ontoista sylintereistä, jotka on liitetty toisiinsa synteettisillä kuiduilla. Kuidut ovat 15 kertaa niin vahvoja kuin teräs.
Kun kuitukonstruktioon puhalletaan raketin säiliöistä typpeä, kilpi pullistuu kooltaan lähes viisinkertaiseksi.
Puhallettava lämpökilpi laskeutui pehmeästi
Atlas V -raketin avaruuteen nostama Nasan uusi puhallettava lämpökilpi selviytyi hyvin ensi kohtaamisestaan Maan ilmakehän kanssa.
1. Lämpökilpi täytettiin typellä
125 kilometrin korkeudella maanpinnasta lämpökilpeen puhalletttiin typpeä ja sen läpimitta pullistui 1,3 metristä 6 metriin, ennen kuin se törmäsi ilmakehään 29 000 kilometrin tuntinopeudella.
2. Keraamiset kuidut suojasivat kuumuudelta
Lämpökilpi kuumeni 1 600 asteeseen matkallaan ilmakehän läpi. Sen alapuolta suojasi keraamisista kuiduista kudottu ja eristysmateriaalilla vuorattu matto. Näin kilpi pystyi vastustamaan korkeita lämpötiloja.
3. Kilpi plumpsahti mereen
Vauhti aleni noin 800 kilometriin tunnissa ennen kuin laskuvarjo aukesi ja jarrutti lämpökilpeä vielä lisää. Kilpi putosi rauhallisesti mereen, mistä se nostettiin laivaan.
Puhallettavaa tekniikkaa on itse asiassa jo kokeiltu ISS:llä. Osittain puhallettava moduuli Bigelow Expandable Activity Module (BEAM) on vuodesta 2016 ollut kytkettynä asemaan ja tarjonnut ISS-astronauteille 16 kuutiometriä lisää tilaa.
Menestys sai Nasan jatkamaan hanketta, ja se on antanut avaruusyritys Sierra Spacelle tehtäväksi kehittää paljon suuremman puhallettavan avaruusmoduulin, nimeltään Large Integrated Flexible Environment (LIFE).
300 kuutiometriä liikkumatilaa on astronauteilla Sierra Spacen puhallettavassa LIFE-moduulissa.
LIFE voidaan laukaista avaruuteen nykyraketeilla ja puhaltaa sylinteriksi, jonka läpimitta on kahdeksan metriä ja pituus samoin kahdeksan metriä. Moduulissa voi asua 4–12 astronauttia, ja siihen kuuluu kaikki makuuhuoneista LED-valaistuun kasvitarhaan.
LIFE on valmistettu ilmatiiviistä muovista, uretaanista, jota ympäröi vektraani-niminen tekoaine. Vektraani on kevyttä ja viisi kertaa niin vahvaa kuin teräs. Joustava materiaali muuttuu kivenkovaksi, kun se on puhallettu auki.
Puhallettavaan LIFE-moduuliin mahtuu avaruusmatkoilla peräti 12 ihmistä.
Ensimmäiset astronautit muuttavat suunnitelmien mukaan LIFE-moduuliin kuluvan vuosikymmenen lopulla.
Tuolloin laukaistaan yksityinen avaruusasema Orbital Reef, jonka osaksi LIFE-moduuleja kaavaillaan.
Tulevaisuuden puhallettavat Mars-kodit
Itävaltalainen arkkitehti Thomas Herzig on koko uransa ajan kehittänyt puhallettavaa arkkitehtuuria, ja yhteistyössä Euroopan avaruusjärjestön Esan kanssa hän on laatinut ehdotukset sekä Kuuhun että Marsiin perustettavista tukikohdista.
Tukikohdat koostuvat läpinäkyvästä muovista, joten niiden asukkaat ja etenkin kasvit, joiden tehtävänä on tuottaa happea ja ruokaa, voivat nauttia auringonvalosta.
20 metriä pitää lämpökilven olla läpimitaltaan, jotta se pystyy suojaamaan 20 tonnin painoista avaruuskapselia sen laskeutuessa Marsiin.
Moduulien kattoja peittää pöly- ja hiekkakerros, joka suojaa säteilyltä ja meteoriiteilta.
Auringonvalo ei siten pääse moduuliin suoraan ylhäältä, vaan se heijastetaan sivulta suurten peilikalvojen välityksellä.
Tukikohta puhalletaan auki Marsissa
Arkkitehti Thomas Herzig on suunnitellut puhallettavia taloja ja niihin yhdistettäviä kasvihuoneita, joissa Marsin asuttajat voivat viljellä hedelmiä ja vihanneksia. Muovimoduulit rullataan pinnalle ja puhalletaan 450 neliömetrin laajuisiksi asuinalueiksi.
1. Muoviputket ovat tukikohdan selkäranka
Tukikohta rakennetaan tukevasta ja läpinäkyvästä ETFE-muovista valmistetuista 50-metrisistä putkista. Ulommista putkista tehdään kasvihuoneet ja sisemmistä asuintilat. Putket vahvistetaan Dyneema-muovimateriaalilla, joka tekee niistä puhallettavia.
2. Hiekkakerros suojaa säteilyltä
Asuintilan päälle kasataan kolmen metrin paksuinen kerros pölyä ja hiekkaa. Marsin pöly suojaa asukkaita vahingollista säteilyä ja meteori-iskuja vastaan. Lisäksi se eristää niin, että lämpö pysyy helpommin tilan sisällä.
3. Tukikohta puhalletaan täyteen kokoonsa
Painovoima on Marsissa paljon heikompi kuin Maassa. Jos tukikohta pumpataan paineeseen, joka vastaa puolta Maan yleisestä paineesta, se riittää vastustamaan hiekkakerroksen painoa.
4. Valo heijastetaan asuintiloihin
Suora auringonvalo Marsissa sisältää vaarallista säteilyä. Siksi valo tulee moduuleihin peilikalvojen läpi. Ne heijastavat vain tavallista näkyvää valoa, kun taas vahingollinen säteily jatkaa matkaansa Maata kohti.
Herzig on piirtänyt puhallettavan, noin 450 neliömetrin laajuisen asuintilan, joka voidaan rakentaa suhteellisen nopeasti.
Kokoon taiteltuna koko konstruktio on vain kuusi metriä pitkä rulla, joten se voidaan kuljettaa Marsiin nykyraketeilla.
Lämpökilpi turvaa pehmeän laskeutumisen
Asuintilojen suunnittelu on luku sinänsä. Jotta astronautit voivat asettua Marsiin, heidän pitää kuitenkin ensin päästä ehjin nahoin sen pinnalle.
Tässä kohtaa Nasan lentävä lautanen tulee mukaan kuvaan.
Avaruusaluksen pitää yltää noin 40 000 kilometrin tuntinopeuteen päästäkseen Marsiin, ja aluksen pysäyttäminen tästä vauhdista onkin suuri haaste. Marsin ilmanvastus voi osaltaan hidastaa aluksen vauhtia.
Mitä suurempi aluksen pinta-ala on sen kohdatessa ilmakehän, sitä suurempi on ilmanvastus ja samalla jarrutus. Suuret puhallettavat lämpökilvet varmistavat maksimaalisen ilmanvastuksen ja suojaavat kuormaa kuumuudelta aluksen laskeutuessa.
Marsin kaasukehä on hyvin ohut. Siksi lämpökilven pitää olla suuri pystyäkseen jarruttamaan 20-tonnista avaruuskapselia niin paljon, että kapseli selviytyy laskeutumisen viimeisestä osuudesta ilman suuria laskuvarjoja.
Nasassa on laskettu, että tehtävään vaadittavan lämpökilven pitää olla läpimitaltaan noin 20-metrinen. Niin suurelle kilvelle avaruuskapselissa on tilaa vain, jos kilpi voidaan taittaa kokoon.
Tehtyään onnistuneen testin kuusimetrisellä puhallettavalla lämpökilvellä Nasa aikoo nyt aloittaa suurempien prototyyppien kehittämisen. Insinöörit, arkkitehdit ja avaruustutkijat kehittävät edelleen avaruusaluksia ja puhallettavia asuinmoduuleja.
Näin kylpyleluista innoituksensa saanut tekniikka tuottaa riittävästi tilaa matkalla, turvaa pehmeän laskeutumisen Marsiin ja suojaa astronautteja sen pinnalla.
Punaisen planeetan asuttaminen seuraavien vuosikymmenten kuluessa on uusien innovaatioiden ansiosta nyt aiempaa paljon realistisempaa.