Raketit jonossa
Vielä nyt Skotlannin pohjoisosassa sijaitseva A’ Mhòinen niemi on autiota turvenummea. Avaria näköaloja tarjoavalle alueelle on kuitenkin tarkoitus rakentaa Euroopan uusi avaruuskeskus. Maanosan kaikkien aikojen ensimmäisen kaupallisen avaruuskeskuksen pitäisi aloittaa toimintansa 2020-luvun alussa.
Nimellä Space Hub Sutherland kulkeva hanke ei ole suinkaan ainoa laatuaan. Esimerkiksi Britanniassa kaavaillaan toista avaruuskeskusta Cornwallin seudulle ja Ruotsissa aiotaan perustaa yritysvetoisesti avaruuskeskus Kiirunaan. Myös Intia, Indonesia, Singapore, Australia ja Uusi-Seelanti puuhaavat omia avaruuskeskuksia. Lisäksi USA:han, jossa on jo kymmenen avaruuskeskusta, on suunnitteilla useita uusia.
Avaruuskeskuksia nousee kuin sieniä sateella siksi, että tekniset edistysaskeleet ja yksityisyritysten välinen avaruuskilpa ovat vaikuttaneet kuljetusten hintakehitykseen asiakkaiden kannalta edullisesti.
112. Niin monta rakettia laukaistiin matkaan avaruuskeskuksista vuonna 2018 eli laukaisujen kokonaismäärä ylitti sadan ensimmäistä kertaa yli 30 vuoteen. Jos avaruuskeskuksia olisi ollut enemmän, luku olisi voinut olla suurempi.
Nasan hinnaston mukaan rahdin kuljettaminen avaruuteen maksaa keskimäärin 17 500 euroa kilolta, mutta yksityisillä avaruusyhtiöillä hinta voi painua noin 4 300 euroon. Halpeneminen on lisännyt lähetyksiä, mikä taas on ruuhkauttanut laukaisualustat.
Maan pyöriminen hyödynnetään
Tärkein päätös, joka avaruuskeskuksen suunnittelijoiden pitää tehdä, koskee sen sijoituspaikkaa. Huomioon on otettava etenkin kaksi asiaa. Ensinnäkin avaruuskeskus tulee sijoittaa alueelle, jossa sen ympärille voidaan luoda riittävän iso suojavyöhyke. Toiseksi on valittava sopiva leveysaste, sillä mahdolliset määränpäät riippuvat siitä.
Pitkät avaruuslennot lähtevät päiväntasaajalta
Kun avaruuskeskukselle etsitään hyvää sijoituspaikkaa, otetaan huomioon esimerkiksi valtavien raketinosien kuljettamiseen liittyvät asiat ja maapallon pyörimisnopeus.
Maailman tunnetuin avaruuskeskus, yhdysvaltalainen Kennedy Space Center, on hyvä esimerkki valinnoista. Sieltä lähtivät Apollo-lennot, joissa käytettiin historian tehokkainta, yli 110 metriä pitkää Saturn V-kantorakettia.
Sen moottorivoima oli peräti 33 000 000 newtonia eli yli sata kertaa niin suuri kuin jumbojetin. Jo siinä vaiheessa, kun Saturn V oli vasta piirustuslaudalla, tiedettiin, että raketti vaati laukaisukeskuksen, jolle sen koko ja teho eivät olisi liikaa.
Euroopan suurin avaruuskeskus sijaitsee 6 000 kilometrin päässä Euroopasta Etelä-Amerikan viidakossa. Euroopan avaruusjärjestö ESA hallinnoi lähellä päiväntasaajaa sijaitsevaa keskusta, jota käytetään erityisesti raskaiden lastien laukaisuun.
Siksi Nasa alkoi vuonna 1962 ostaa maata Yhdysvaltojen itärannikolla sijaitsevasta, Floridaan kuuluvasta Merrittin saaresta.
Sijoituspaikka valittiin muun muassa siitä syystä, että Florida on USA:n lähimmäs päiväntasaajaa tulevia osia. Päiväntasaajan läheisyydestä on etua kahdella tavalla. Ensinnäkin siellä maapallo pyörii suurimmalla nopeudellaan lännestä itään. Vaikka raketti nousee pystysuoraan maanpinnalta, nokka kääntyy vähitellen melkein vaakasuoraan raketin edetessä ilmakehässä. Jos raketti ei saavuta suurta nopeutta maanpintaan nähden, se ei pääse kiertoradalle ja alkaa pudota takaisin heti moottoreiden sammuttua.
Matalalle Maata kiertävälle radalle pääsy vaatii vaakalennossa noin 28 000 kilometrin tuntinopeuden. Kun raketti lähetetään päiväntasaajan tuntumasta, sen vaakanopeus on jo ennen moottoreiden käynnistämistä 1 650 kilometriä tunnissa maapallon pyörimisen ansiosta. Tämä säästää polttoainetta.
Maailman ensimmäinen kaupallinen avaruuskeskus Spaceport America perustettiin 2012.
Toinen päiväntasaajan läheltä lähettämisestä saatava hyöty on sijainti juuri usein tavoitellun geostationaarisen radan kohdalla. Rata on käytännöllinen esimerkiksi tietoliikennesatelliiteille, sillä tässä korkeudessa ne kiertävät Maata samaa vauhtia kuin Maa pyörii ja näyttävät siten pysyvän paikallaan.
Toinen hyödyllinen Maata kiertävä rata kulkee napojen kautta. Satelliitti ylittää päiväntasaajan kohtisuoraan ja pohjois- ja etelänavan monta kertaa vuorokaudessa, mutta koska maapallo pyörii, satelliitti käy läpi koko maanpinnan 24 tunnin kuluessa.
Esittely: Nasan rakettitehdas
Kaikki Nasan avaruusraketit on koottu suuressa kokoomishallissa (Vehicle Assembly Building – VAB). Nyt insinöörit viimeistelevät Nasan seuraavaa kuurakettia (Space Launch System – SLS).
Naparataa hyödynnetään usein kaukokartoituksessa ja valvonnassa, ja satelliitit lähetetään sille yleensä kaukana päiväntasaajasta sijaitsevista avaruuskeskuksista.
Uudenlaisia keskuksia kaivataan
Maapallon ympärillä etäisyydet ovat niin suuria, että kiertoradoille mahtuu vielä miljoonia satelliitteja. Se on hyvä asia, sillä tulevina vuosina satelliittien laukaisumäärien ennustetaan kasvavan räjähdysmäisesti.
Kolossi kuljettaa 5 000 tonnin rakettiosia
Nasan jättiläismäinen Crawler Transporter, jonka huippunopeus on 1,6 km/h, on siirtänyt kaikkien aikojen suurimmat raketit kokoonpanohallista laukaisualustalle jännittävissä operaatioissa.
Pieni ohjauspyörä kääntää jättiä
Ohjaamoissa on läpimitaltaan 15-senttinen punainen ratti, jolla kulkua säädellään. Lisäksi ohjaaja käyttää vasemmalla kädellään nopeuspainiketta. Hänen oikealla puolellaan ovat mittarit, joista näkyvät nousun ja laskun korkeus- ja kulmatiedot.
Diesel pyörittää sähkömoottoreita
Kaksi järeää dieselmoottoria, joiden kokonaisteho on 5 500 hevosvoimaa, tuottaa virtaa kuljetinta kuljettaville sähkömoottoreille. Sähköisten ajomoottorien etuna on se, että ne pyörittävät pyöriä samalla voimalla riippumatta siitä, liikkuuko ajoneuvo vai ei.
Jousitus pitää kuorman suorassa
Matkalla laukaisualustalle tie nousee 1,5 metriä. Kuljetin on varustettu 16 tunkilla, jotka koostuvat hydraulisesti säädettävistä sylintereistä. Ne pitävät kuljettimen lavan vaakatasossa siitäkin huolimatta, että kuorman kokonaispaino voi olla jopa 5 000 tonnia.
Telaketjuilla on hyvä pito
Kuljettimen jokaisessa neljässä kulmassa on kaksi telaa, joissa puolestaan on 57 telakenkää. Nämä ovat leveitä, noin 950 kiloa painavia teräslevyjä. 456 kengästä koostuvat 433 tonnin telaketjut varmistavat, että kuljetin ei juutu eikä sudi.
Merkittävin avaruusmatkojen rajoite on paino. Tekninen kehitys yhdistettynä siihen, että suorituskykyiset tietokoneet vaativat aina vain vähemmän tilaa, mahdollistaa kevyet kenkälaatikon kokoiset satelliitit, jotka selviävät useammista tehtävistä kuin muutamien vuosikymmenien takaiset satojen kilojen painoiset satelliitit.
Nanosatelliiteiksi kutsutut hyvin pienet satelliitit voidaan laukaista yli sadan kappaleen parvina. Sitä mukaa kuin avaruuteen kuljettamisen kilohinta laskee, yhä useampi yritys ja valtio pystyy ostamaan lähetyksiä.
Marraskuussa 2018 tutkimusyritys Euroconsult arvioi, että seuraavien kymmenen vuoden aikana lähetetään jopa 7 000 pikku satelliittia. Määrä on kuusinkertainen edelliseen vuosikymmeneen verrattuna. Sellaiset avaruuskeskukset kuin Kennedy Space Center on suunniteltu lähettämään harvakseltaan suuria kuormia, joten laukaisualustalle on vaikea saada vipinää.
Lähetysmäärien jatkuva kasvu luokin markkinoita niille avaruuskeskuksille, jotka voivat hoitaa usein pieniä laukaisuja. Malliesimerkki löytyy Uudesta-Seelannista, jossa Rocket Lab -niminen yhtiö tarjoaa palveluja omalla Electron-raketillaan. Tällä vain 17 metriä pitkällä ja 12,5 tonnia painavalla raketilla yritys uskoo voivansa kuljettaa rahtia avaruuteen kolmen vuorokauden välein.
Yksityinen Rocket Lab -yritys laukaisi 11. marraskuuta 2018 ensimmäisen kaupallisen raketin Uudessa-Seelannissa Mahian niemimaalla sijaitsevasta avaruuskeskuksestaan.
Laukaisualustoja hiotaan
Tulevaisuuden pienempien laukaisualustojen rakentamisessa käytetään hyväksi nykyaikaista 3D-suunnittelua ja materiaalitestausta. Tietokoneohjelmien avulla voidaan esimerkiksi määrittää, kuinka kauas raketista liekit lyövät sen noustessa, käytettävän polttoaineen ja raketin painon mukaan.
Tämä mahdollistaa laukaisualustan sopeuttamisen kulloistakin lähetystä vastaavaksi. Lähestymistapaa on jo sovellettu Kennedyn avaruusaseman uuteen 39C-laukaisualustaan. Se kuuluu samaan rakennuskokonaisuuteen kuin historiallinen Apollo- ja avaruussukkula-alusta 39A.
Laukaisualustan ainoa pysyvä rakenne on betonilaituri, jonka päälle pystytetään jokaista eri lähetyskertaa varten tarvittavat moduulit siirrettävästä rakennussarjasta. Keskeinen moduuli on pystyteline, johon raketti kiinnitetään.
1,14 miljoonaa litraa vettä virtaa laukaisurampin 16 hanasta, kun raketti Kennedyn avaruuskeskuksen suurimmalla rampilla käynnistää moottorinsa. Vesi jäähdyttää laukaisuramppia, mutta se vaimentaa myös moottorien aiheuttamaan sokkiaaltoa, joka voi tuhota raketin ja olla vaarallinen ihmisille.
Telineen alapuolelle voidaan sijoittaa liekkikammiot. Ne ovat nelikulmaisia laatikoita, joissa vinot virtauksen ohjauslevyt kääntävät liekkejä 85 astetta sivulle, toisin sanoen suorassa kulmassa pois alustalta. Tämä on tehokkain tapa suojella betonilaituria.
Sekä teline että liekkikammiot sijaitsevat teräsmatolla, joka levityksen jälkeen kiinnitetään betonilaituriin. Matto imee itseensä raketin tuottamaa lämpöä ja hillitsee näin liekkien tuhoisaa korvennusta.
Jättiläisraketit tekevät tuloaan
Siitä huolimatta, että satelliitit ja raketit pienenevät ja avaruuskeskukset tarjoavat suurempaa joustavuutta, alalla tapahtuu myös päinvastaista kehitystä. Kehitteillä on nimittäin uusi jättiläisrakettien sukupolvi.
Nasa on viimeistelemässä uutta Space Launch System -jättiläisrakettia, jonka nostokapasiteetti on 130 tonnia. Lisäksi Kiinan avaruusjärjestö kehittää nostokapasiteetiltaan 140-tonnista Pitkä marssi 9 -rakettia. SpaceX-yhtiö puolestaan panostaa Starship-alukseen, joka voi nostaa valtavan kantoraketin avulla vähintään 100 tonnia ja joka on kokonaan uudelleen käytettävä. Vertailun vuoksi mainittakoon, että tehokkain nykyään käytössä oleva raketti, Falcon Heavy, nostaa vajaat 64 tonnia.
Vesi ja voimakkaat käsivarret suojelevat rakettia siltä itseltään
Avaruusraketin voimat ovat niin suuret, että se hajoaisi kappaleiksi, ellei laukaisualusta antaisi sille suojaa. Syvä kammio liekeille ja yli miljoona litraa vettä varmistavat, että raketti saa hyvän lähdön.
Rajut voimat asettavat avaruusasemille kovia vaatimuksia. Nasan vanha sukkula-alusta 39A on tätä nykyä ainoa, joka kestää Falcon Heavyn raivon. Toisin kuin 39C:n mobiilia laituria 39A:n kiinteää rakennetta ympäröivät tehokkaat vesitykit, jotka ruiskuttavat yli miljoona litraa vettä juuri raketin alle moottorien käynnistyessä.
Veden ensisijaisena tehtävänä ei ole – niin kuin helposti luulisi – jäähdyttäminen, vaan vedellä vaimennetaan jylisevien moottoreiden aiheuttamaa äänenpainetta, iskuaaltoa.
Vedessä olevat ilmakuplat imevät itseensä ääniaaltoja, puristuvat kokoon ja kuumenevat, jolloin iskuaalto vaimenee huomattavasti. Äänenpainetaso laskee silloin noin 200 desibelistä 150:een.
Kennedyn avaruuskeskuksen suurimman rampin, 39A:n, 13 metriä syvä ja 137 metriä pitkä liekkihauta. Keskellä, aivan raketin alla, on ohjauslevy, joka taittaa liekkejä kumpaankin suuntaan.
Näin voimakkaat paineaallot ovat paitsi hengenvaarallisia ihmisille myös haitallisia raketille: heijastuessaan takaisin laukaisualustasta ne voivat vahingoittaa raketin osia. 150 desibeliä vastaa suihkukoneen melua 25 metrin päästä kuultuna. Se voi aiheuttaa välittömästi tärykalvon repeytymisen ja kuulovaurion.
Avaruusmatka alkaa vaakatasossa
Kolmas avaruuskeskusten kehityssuunta on kiitotie, jolta noustaan ja jolle laskeudutaan kuin lentokentillä. Ratkaisua testaa jo muun muassa yhdysvaltalainen Spaceport America. Kehitystyötä seuraavat tiiviisti etenkin ne yritykset, jotka voivat ehkä hyödyntää ideaa käyttäessään turisteja avaruuden rajalla 100 kilometrin päässä maanpinnasta.
Kesällä 2018 Virgin Galactic -yhtiön SpaceShipTwo, joka koostuu lentokoneesta ja rakettikäyttöisestä avaruusaluksesta, oli koekäytössä. Lentokone nousee normaaliin tapaan noin 15 kilometrin korkeuteen, jossa avaruusalus irtoaa siitä ja käynnistää rakettimoottorinsa.
SpaceShipTwon siipiä voidaan kääntää niin, että ne ovat 90 asteen kulmassa alukseen nähden, kun kone alkaa laskeutua ilmakehään. Niiden avulla jarrutus sujuu vakaammin. Kun siivet sitten oikaistaan, kone voi leijua takaisin kiitoradalle.
Moottori nostaa alle kahdeksassa sekunnissa vauhdin yli 1 000 kilometriin tunnissa ja jatkaa kiihdytystä vielä 62 sekuntia. Kun huippunopeus 4 200 km/h on saavutettu, moottori sammuu ja alus liitää 100 kilometrin korkeudessa sijaitsevan niin sanotun Kármánin rajan toiselle puolelle.
Lentokone ja avaruusalus palaavat omia aikojaan avaruuskeskukseen, ja kumpikin laskeutuu kuin lentokone. SpaceShipTwo on kahdeksanpaikkainen: siihen mahtuu kahden lentäjän lisäksi kuusi matkustajaa.
Avaruuskeskusverkko häämöttää
Nasan tulevaisuudensuunnitelmiin sisältyy Kennedyn avaruusaseman varustaminen kiitoteillä – muttei aivan tavallisilla. Visioon kuuluvat avaruusalukset, jotka lähtevät lentoon sähköradalta. Kiskot antavat alukselle riittävän lähtönopeuden, ja nousun jälkeen eteenpäin menosta vastaavat scramjetit eli yliäänipatoputkimoottorit.
Alukset singotaan avaruuteen
Slingatron-laukaisujärjestelmässä satelliittien ja huoltoalusten siirtämiseen kiertoradalle käytetään niin sanottua keskihakuvoimaa.
Tavallinen suihkumoottori toimii imemällä ilmaa edestä, puristamalla sitä kokoon turbiinien avulla ennen polttoaine- ja ilmaseoksen sytytystä ja suihkuttamalla kaasut takaa ulos. Scramjetissa pelkkä kova vauhti saa ilman puristumaan kokoon sen sisällä. Se mahdollistaa kymmenkertaisen äänen nopeuden, joka riittää maapallolta avaruuteen pääsemiseen.
Vaakasuorassa nousemisen ja laskeutumisen etuihin kuuluu se, että kentille on melko helppo löytää hyviä sijoituspaikkoja eri puolilta maapalloa. Kiitoteitä voidaan rakentaa myös lentoasemien yhteyteen.
Alan asiantuntijoiden mukaan avaruusasemien ja asutuskeskusten välille saattaa syntyä tulevaisuudessa samantapainen yhteys kuin nykyään kaupungeilla ja lentoasemilla on. Kehitteillä olevat erittäin nopeat alukset, joilla voidaan käydä avaruudessa, ovat mahdollinen vaihtoehto mannertenvälisen lentoliikenteen kalustoksi. Ne säästäisivät aikaa muun muassa siksi, että yläilmakehässä on väljää ja ilmanvastus on pieni.
Space Hub Sutherland vie Euroopan askeleen lähemmäksi aikaa, jolloin kansainvälinen asemaverkko tarjoaa matkoja paitsi eri puolille maapalloa myös avaruuteen.
