Raketti tekee Marsista reittilentokohteen

SpaceX aikoo muutaman vuoden kuluessa lähettää Starship-avaruusaluksellaan uudisasukkaita Marsiin. Yrityksen tähän mennessä suurin testi on juuri tehty, ja se päättyi suureen räjähdykseen.

SpaceX aikoo muutaman vuoden kuluessa lähettää Starship-avaruusaluksellaan uudisasukkaita Marsiin. Yrityksen tähän mennessä suurin testi on juuri tehty, ja se päättyi suureen räjähdykseen.

SpaceX

Teräksenharmaa 50 metriä pitkä avaruusalus laskeutuu Marsiin. Punainen pöly leijailee ympäriinsä, kun moottorit syöksevät tulta alaspäin jarruttaakseen ja varmistaakseen pehmeän kosketuksen pintaan.

Vain muutaman sadan metrin päässä karua ja yksitoikkoista maisemaa rikkovat polttoainetehtaat, laboratoriot, kasvihuoneet ja asuinmoduulit, jotka kuuluvat pienen siirtokunnan monta vuotta rakenteilla olleeseen tukikohtaan.

Juuri laskeutuneesta avaruusaluksesta poistuu 100 matkustajaa – uusi muuttajaryhmä, joka jää joksikin aikaa Marsiin asumaan ja tekemään työtä ja palaa myöhemmin Maahan.

Avaruusalus on nimeltään Starship, ja viimeistään vuoden 2024 jälkeen sen pitäisi alkaa kuljettaa ihmisiä Marsiin rakentamaan sinne pysyvää tukikohtaa.

Kunnianhimoisen hankkeen takana on Elon Musk ja hänen perustamansa yhdysvaltalainen avaruusalan yhtiö SpaceX, joka esitteli Starshipin prototyypin syyskuussa 2019.

37 metaania nestehapen avulla polttavaa rakettimoottoria kuljettaa Starshipin avaruuteen.

Äkkiseltään ajatus rakennustöiden aloittamisesta Marsissa jo neljän vuoden kuluttua voi vaikuttaa epärealistiselta, mutta rohkeiden visioiden ja lupausten esittäminen on Muskin leipälaji.

Kuuluisa pohatta ja Tesla-yhtiön toimitusjohtaja on saavuttanut menestystä sähköautoilla ja avaruusraketeilla, mutta hän on tehnyt myös mahalaskuja, joiden takia jotkut pitävät häntä etupäässä suurisuisena ääliönä.

Nyt kysytään, onko Starship SpaceX:n virheratkaisu.

Starship kärkkyy kärkisijaa

Punainen planeetta on ollut tähtitieteilijöiden ja raketti-insinöörien tähtäimessä jo vuosikymmeniä, ja viime aikoina kilpajuoksussa Marsiin on lisätty vauhtia.

Nasa on viimeistelemässä kaikkien aikojen suurinta rakettiaan, Space Launch Systemiä, ja Venäjän ja Kiinan kansalliset avaruusjärjestöt ovat ilmoittaneet pyrkivänsä lähettämään ihmisiä Marsiin.

SpaceX on kuitenkin ensimmäisenä saanut valmiiksi Marsiin lentävän avaruusaluksen, Starshipin, koemallin.

Avaruusalus herätti paljon kiinnostusta, kun Elon Musk esitteli sen kylmänä ja tuulisena syyspäivänä vuonna 2019. Starship on rakennettu kiiltävästä teräksestä, ja neljä kylkievää saavat sen näyttämään 1950-luvun tieteissarjakuvan vekottimelta.

Musk vakuutti kuitenkin puheessaan, että epätavallinen muotoilu ja teräsrakenne ovat huolellisen suunnittelutyön tulosta.

Vaikka esimerkiksi kuuraketti Saturn V oli valmistettu alumiinista, SpaceX:ssä käytetään erikoista metalliseosta. Sen ansiosta Starship kestää sekä avaruuden äärimmäistä kylmyyttä että kuumuutta, kun se lentää vieraassa kaasukehässä.

Tavallinen teräs voi pirstoutua kylmässä avaruudessa siihen tapaan kuin jää murskautuu, mutta metalliseos, jota kutsutaan 301-teräkseksi, on lujempaa muun muassa sisältämänsä kromin ja nikkelin ansiosta.

Niin sanotuissa kryogeenisissa lämpötiloissa eli –150:tä astetta kylmemmässä 301-teräksen lujuus on jokseenkin sama kuin hiilikuitukomposiittien. Lisäksi 301-teräksen sulamispiste on noin 1 400 astetta, mikä tarkoittaa, että Starship voi kuumenemisesta huolimatta lentää Marsin kaasukehän läpi jopa 25-kertaisella äänennopeudella.

Kaasukehä toimii kuin jarrupala, mutta aluksen ja kaasumolekyylien välinen kitka on vain osaselitys lennon aikaiselle kuumenemiselle.

Kova vauhti aiheuttaa paineaallon aluksen eteen, missä kaasu puristuu voimakkaasti kokoon. Siksi kaasun lämpötila nousee rajusti ja kaasu muuttuu hehkuvaksi plasmaksi, jossa molekyylit hajoavat.

Teräsalukseen mahtuu sata

/ 4

Evät ohjaavat kulkua putoamisliikkeen aikana

Starship laskeutuu Marsiin vapaasti kaasukehän läpi pudoten siihen tapaan kuin laskuvarjohyppääjä pitää vartalonsa vaakasuorassa asennossa. Aluksen yläpään kaksi evää tekevät ohjausliikkeitä, alapään kaksi evää taas jarruttavat putoamista.

1

Starshipissa on tilaa sadalle matkustajalle

Starshipin kärjessä on matkustusosa, johon kuuluvat 40 hytin lisäksi muun muassa varastotila ja suoja aurinkomyrskyn säteilyä vastaan. Osaston tilavuus on 825 m3. Paineistuksen ansiosta matkustajien ei
tarvitse käyttää siellä avaruuspukua.

2

Teräs tekee aluksesta kevyen ja kestävän

Rakennusmateriaalina on terässeos, jonka kromi- ja nikkelipitoisuus on suuri. Metalli kestää hyvin avaruuden kylmyyttä, ja sen sulamispiste on peräti 1 500 astetta. Lämpöominaisuuksien ansiosta matka Marsin kaasukehän läpi ei ole liikaa rakenteelle.

3

Rakettimoottori polttaa puhtaasti metaania

Starshipin 3,1 metriä korkeat Raptormoottorit käyttävät polttoaineenaan metaania, joka nokeaa vähemmän kuin entiset rakettien ajoaineet. Tämän ansiosta Starshipin moottoreita voidaan käyttää monta kertaa uudestaan avaruuslennoilla.

4
© spacex

Lujaa 301-terästä käyttämällä SpaceX tähtää siihen, että jokaista Starshipia voidaan käyttää monta kertaa. Kierrätystavoite on tuttu yhtiön rakettipuolelta.

SpaceX on kokenut takaiskuja kehittäessään uudelleen käytettäviä raketteja, mutta vuonna 2019 Falcon Heavy -raketin kaikki kolme vaihetta palasivat Maahan satelliittikuljetuksen jälkeen.

Kyseessä oli ensimmäinen kerta, kun raskas kantoraketti laskeutui takaisin.

Moottorit käyvät metaanilla

Teräs ei ole ainoa asia, joka tekee Starshipista uudelleen käytettävän. Uudenlainen Raptor-moottori on myös tärkeässä osassa, sillä se polttaa nestemetaania, joka on selvästi edullisempi ajoaine kuin esimerkiksi Saturn V -kantoraketissa käytetty lentopetrolin kaltainen RP-1. Lisäksi metaani palaa puhtaammin.

Kun moottori nokeentuu vähemmän, sitä on mahdollista hyödyntää useita kertoja. Raptorin etumaisen osan palokaasut voidaan polttaa toistamiseen, ennen kuin ne poistuvat raketin peräpäästä.

Tällä tavalla polttoainekilosta saadaan enemmän kiihdytysvoimaa.

Kuusi Raptor-moottoria pystyvät nostamaan Starshipin ilman kantoraketin apua esimerkiksi Kuun tai Marsin pinnalta ja siten tuomaan takaisin Maahan jopa sata matkustajaa.

Raptor-moottorit ovat Starshipin salainen ase. Koska moottorit eivät juuri nokeennu, niitä voidaan käyttää uudellen.

© spacex

Maan painovoimakentästä irtautuminen sen sijaan vaatii lisää tehoa. 50 metriä pitkä Starship täytyykin kuljettaa avaruuteen 68-metrisellä Super Heavy -kantoraketilla, joka on varustettu 37 Raptorilla.

SpaceX on suunnitellut Super Heavyyn evät ja typpisuuttimet, jotka työntyvät esiin sen kyljistä ja pystyvät kääntämään sitä.

Ominaisuuden ansiosta kantoraketti voi palata takaisin Maahan sen jälkeen, kun Starship on irronnut, ja vaihtaa asentoa loppumatkalla.

Moottorit kääntävät pitkällään lentävän Super Heavyn pystyyn siinä vaiheessa, kun se laskeutuu maanpinnalle.

Pystysuoraan laskeutuminen mahdollistaa hallitun jarruttamisen ennen kosketusta alustaan. Sen jälkeen, kun polttoainesäiliöt on täytetty maassa, raketti on jälleen valmis tekemään kuljetusmatkan.

Uudelleen käytettävyydellä tavoitellaan lyhyitä laukaisuvälejä. Arvioiden mukaan vuodessa voidaan lähettää jopa tuhat Starshipia eri tehtäviin, kuten tankkaamaan avaruusaluksia Maata kiertävällä radalla tai kuljettamaan ihmisiä ja varusteita Kuuhun tai Marsiin.

Huoltoasema toimii avaruudessa

Tuhat laukaisua vuodessa on niin suuri määrä, että asiantuntijat ovat leimanneet tavoitteen epärealistiseksi. Elon Musk taas katsoo, että lyhyet laukaisuvälit palvelevat täydellisesti lopullista päämäärää eli Marsiin menoa. Seuraavaksi sitä kohti pyritään perustamalla huoltamo Maan kiertoradalle.

© Imageselect & nasa & XYZtSpace

Useat avaruusjärjestöt kaavailevat tukikohtia toisille taivaankappaleille

SpaceX ei ole ainoa avaruusalan toimija, joka haluaa viedä ihmisiä Marsiin. Yhdysvaltojen ja Kiinan avaruusjärjestöt sekä yksityisyritys Blue Origin kehittävät aluksia, joiden avulla on mahdollista perustaa siirtokunta punaiselle planeetalle. Nasan uusi rakettijätti, joka on nimeltään Space Launch System (SLS), saattaa olla valmis viemään ihmisiä Kuuhun vuonna 2024 ja Marsiin 2030-luvulla. Kiinan valtion avaruusohjelmassa kehitetään Pitkä marssi 9 -kantorakettia, joka voi kuljettaa 44 tonnin hyötykuorman eli rahtia ja ihmisiä Marsiin. Yksityis-sektorilla kilpailevat SpaceX ja Blue Origin, jonka omistaa Amazon-verkkokaupalla rikastunut Jeff Bezos. Blue Originin Mars-rakettia, New Glenniä, aletaan suunnitelmien mukaan koekäyttää vuonna 2021.

Starshipien on tarkoitus tankata toisiaan matkalla Marsiin. SpaceX lähettää ensin säiliöalus-Starshipin matalalle kiertoradalle. Siellä se odottaa ihmisiä kuljettavaa Starshipia ja kiinnittyy siihen heti, kun se on saapunut.

Kun telakoituminen on tapahtunut, viimeksi tullut Starship työntää tankkeria ja saa näin aikaan kiihtyvyyden, joka sysää polttoaineen liikkeelle.

Polttoaine virtaa aluksesta toiseen, ja kun tankkaus on ohi, täyteen tankattu Starship jatkaa matkaansa kohti ulkoavaruutta ja säiliönsä tyhjentänyt Starship palaa Maahan.

Nasa pitää toimintamallia kehityskelpoisena ja on rahoittanut vuodesta 2019 SpaceX:n tutkimushanketta, joka tähtää avaruusalusten polttoainejärjestelmien yhdistämismekanismiin.

Ajoaineena käytettävää nestemetaania voidaan todennäköisesti tuottaa Marsissa. Metaani on hiilivety, jonka raaka-aineita esiintyy myös siellä: kaasukehässä on hiilidioksidia ja pinnan alla piilee vesijäätä.

Näistä aineista kyetään valmistamaan metaania niin sanotun Sabatier-reaktion avulla. Ensin vedestä otetaan vetyatomeja, ja sitten vedyn annetaan reagoida hiilidioksidin kanssa.

Hiilestä (C) ja vedystä (H) syntyy metaania (CH4). Polttoainetta voidaan tuottaa tehtaassa, jonka ensimmäisenä Marsiin matkustavat ihmiset rakentavat.

© SpaceX & Ken ikeda madsen

Huoltoasema lyhentää Mars-lennon puoleen

Maa ja Mars ovat joka 26. kuukausi tietyssä keskinäisessä asemassa, jonka ansiosta on mahdollista lähettää avaruusalus Marsiin pienemmällä polttoainemäärällä niin sanotun Hohmannin siirtoradan kautta. Siinä käytetään sitä nopeutta, joka molemmilla planeetoilla on kiertonsa vuoksi, aluksen "linkoamiseen" eteenpäin. Kun alus kulkee Hohmannin siirtorataa, sen tarvitsee käynnistää moottorit vain kerran lähdön jälkeen: Marsin kiertoradalle johtavassa loppumatkan jarrutuksessa. Tällä tavoin matka Maasta Marsiin kestää yhdeksisen kuukautta. Täyttämällä polttoainesäiliöt Maata kiertävällä radalla – niin kuin SpaceX kaavailee – matka-aikaa voidaan lyhentää: alus kiihdyttää aluksi suurempaan nopeuteen ja jarruttaa lopuksi rajummin. Näin lento vie vain 80 päivää.

Reittilennot alkavat 2024

Huoltoasemat Maata kiertävällä radalla ja Marsissa ovat edellytyksenä sille, että SpaceX voi alkaa operoida Starship-laivastollaan reittiliikenteen tapaan Maan ja Marsin välillä.

Elon Muskin mukaan tuhat Starshipia on minimimäärä, jolla Marsiin saadaan perustetuksi siirtokunta ja voidaan järjestää sen tarvitsemat kulkuyhteydet.

Hän arvioi, että Marsiin on mahdollista kuljettaa miljoona tonnia rahtia 20 vuodessa. Pysyvä tukikohta vaatii suunnilleen näin paljon materiaalia ja varusteita.

Tähtitieteilijät puhuvat varoittavaan sävyyn siitä, että ihmisen saapuminen saastuttaa Marsin ja haittaa elämän ja sen merkkien etsimistä naapuriplaneetalta.

Lisäksi ongelmallisena pidetään sitä, että Musk jättää kovin vähälle huomiolle kosmisen säteilyn, jolle Marsissa altistutaan.

3 Starship-lähtöä päivässä on mahdollista hoitaa uudelleen käytettävällä Super Heavy -raketilla.

SpaceX jatkaa suunnitelmansa toteuttamista. Starship-prototyypin onnistunut lento raivasi tietä tuleville koelennoille, joilla käytetään useampaa moottoria ja lennetään korkeammalle ilmakehään.

Prototyyppi lensi 150 metriä ja laskeutui sitten. Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, SpaceX tekee Starshipilla koelennon Maata kiertävälle radalle vuonna 2020.

Matkustajina ovat rikas japanilainen yrittäjä Yusaku Maezawa ja ryhmä taiteilijoita. Reitin on määrä kulkea Kuun ympäri. Siitä ei ole kuin neljä vuotta astronauttien Mars-matkaan.

© JPL Caltech/NASA

Starship navigoi Marsin pinnan alla piilevän jään mukaan

SpaceX on jo kartoittanut Starshipille sopivia laskeutumispaikkoja. Yhtiö on kiinnostunut niistä alueista, jotka ovat valmiiksi tasaisia ja joilla pinnan alla vaikuttaa olevan paljon jäätä. Jää on tärkeää paitsi juomaveden tarpeen tyydyttämisen myös polttoaineen valmistamisen kannalta. Ilman vettä Starshipia ei saada paluumatkalle. Jäätä on löydetty Nasan tutkimuksissa, joissa on analysoitu kahden Marsia kiertävän luotaimen, Mars Odysseyn ja Mars Reconnaissance Orbiterin, välittämää informaatiota. Kumpikin on varustettu laitteilla, jotka mittaavat Marsin pinnan pieniä lämpötilaeroja. Jäähän imeytyy enemmän lämpösäteilyä kuin muihin ympäristön aineisiin. Paljon jäätä sisältävät alueet ovat siten kesällä hieman viileämpiä, koska ne sitovat lämpöä, ja vähän lämpimämpiä talvella, koska ne vapauttavat lämpöä. Karttaan merkityllä alueella on melko helposti hyödynnettävää jäätä, sillä se on paikoin vain 2,5 sentin syvyydessä.

Naapuriplaneetasta Maa 2.0

Siinä tapauksessa, että Starship lopulta lentää Marsiin ja ihmiskunta alkaa rakentaa sinne tukikohtaa, ollaan uuden ajan kynnyksellä.

Muskin tulevaisuudenvisioon ei kuulu ainoastaan siirtokunta, jolle avaruuden säteily ja ilmakehästä poikkeava kaasukehä eivät aiheuta uhkaa.

Musk haluaa myös muokata Marsia niin, että siitä tulee pienoisversio maapallosta valtamerineen ja ilmakehineen. Silloin planeetta voi sopia ihmiselle elinympäristöksi sekä lämpötilansa että säteilyolosuhteidensa puolesta.

Toiminnasta, jolla Mars muutetaan elinkelpoiseksi, käytetään nimitystä maankaltaistaminen tai maantaminen. Sitä pohti jo vuonna 1961 yhdysvaltalainen tähtitieteilijä Carl Sagan artikkelissaan.

Musk on ehdottanut, että napajäätiköt sulatettaisiin vähän saastuttavan radioaktiivisen laskeuman aiheuttavilla vetypommeilla, jotka toimivat käytännössä kuin pienet auringot.

Selvitettyään asiaa Nasa pitää Marsin maankaltaistamista epärealistisena, mutta Musk on yhä tiukasti sitä mieltä, että se voi onnistua.

© spacex

Siirtokunta tuottaa ruokaa ja polttoainetta

SpaceX aikoo rakentaa laskeutumiskenttiä, polttoainetehtaita, teitä ja tukikohdan, jossa Marsiin muuttajat voivat asua ja tehdä työtä.

Starship nousee lopuksi pystyyn

Pari kilometriä ennen kosketusta Marsin pintaan Starship kääntää itsensä kuudella kääntyvällä moottorillaan vaakasuorasta lentoasennosta pystysuoraan laskeutumisasentoon.

Polttoainetta vedestä ja hiilidioksidista

Ajoaineeksi sopivaa metaania voidaan tehdä Marsin kaasukehän hiilidioksidista ja vedestä. Niistä muodostuu hiilivetyä (metaania) ja happea paineessa suunnilleen 300–400 asteen lämpötilassa.

Paineistetut tilat palvelevat asuntoina

Moduuleissa vallitsee sama ilmanpaine kuin maapallolla. Suodattimet erottavat ilmasta hengityksestä peräisin olevan hiilidioksidin. Virtsa tislataan, ja siitä
saadaan puhdasta juomavettä.

Ruokaa viljellään kasvihuoneissa

Elon Muskin mukaan ravintoa voidaan tuottaa esim. vesiviljelynä, jossa kasvualustana toimii ravinteikas vesi. Proteiinin saanti on varmistettavissa keinotekoisella lihalla ja hyönteisruoalla.

Musk tunnetaan yltiöpäisenä visionäärinä, jonka optimismi riittää rajattomiin. Kaikki eivät ota häntä enää vakavasti, koska hän on usein nuolaissut ennen kuin tipahtaa.

Musk osaa kuitenkin myös tehdä tulosta ja tulevaisuutta, kuten sähköautot ja uudelleen käytettävät raketit osoittavat.

Vielä on liian aikaista sanoa, ovatko Starship-laivasto ja Maan kaltainen Mars pelkkää pötyä.