Uudet moottorit jouduttavat lentoa: Marsiin 45 päivässä
Marsia ei asuteta eikä Aurinkokunnan laitoja tutkita ilman paljon nykyistä tehokkaampia raketteja. Nasa kehittää uudenlaisia moottoreita, jotka ydinenergian ja laserin avulla vauhdittavat avaruusmatkoja merkittävästi.
Avaruusraketti lähtee liikkeelle.
Laukaisussa ei ole mitään ihmeellistä, mutta heti kun kantoraketin kärjessä oleva avaruusalus irtoaa, tapahtuu jotain mullistavaa: atomit alkavat hajota reaktorissa, ja syntyvä energia kiihdyttää Marsiin suuntaavaa alusta.
Aiemmin punaiselle planeetalle on päästy 210 päivässä, mutta nyt matkalla viivytään vain 100 päivää.
Tällaiseen lentoon tähtää ydinenergialla toimivan avaruusaluksen kehityshanke, joka ulottuu vuoteen 2027.
Kyse on kuitenkin vain alkutahdeista.
Nasa pyrkii nopeuttamaan Aurinkokunnassa tehtäviä pitkiä avaruuslentoja vielä enemmän.
Yhdysvaltojen ilmailu- ja avaruushallintovirasto rahoittaa kolmen uuden moottorin suunnittelua, jotta avaruusalukset voisivat lentää paljon kovempaa kuin nykyään.
Mars-lennon pitäisi kestää vain 45 päivää. Kun Voyager 1 -luotain saapui Aurinkokunnan ulko-osiin 35 vuoden kuluttua lähdöstä, uusilla moottoreilla sinne voitaisiin lentää muutamassa vuodessa.
Lyhyesti sanottuna jo lähitulevaisuudessa moottorivoima voi riittää koko Aurinkokunnan valloittamiseen – atomien hajoamisen ja tarkan laserin ansiosta.
Lento kestää liian kauan
Avaruusaluksen huippunopeus riippuu käytettävissä olevasta polttoaineesta. Nykyinen nestemäinen ajoaine on raskasta kuljetettavaa, ja sillä voidaan suuren kulutuksen takia kiihdyttää avaruusalusta vain lyhyen aikaa.
Se selittää esimerkiksi, miksi paras hetki tehdä Mars-lento Maasta koittaa noin 26 kuukauden välein. Silloin planeetat tulevat kiertoradallaan lähimmäksi toisiaan.
Jos Maahan halutaan palata nopeinta reittiä, Marsissa pitää viipyä 496 vuorokautta.
Ja kyse on muustakin kuin naapuriplaneetta Marsista. Koska visiot huomispäivän avaruuslennoista ulottuvat Aurinkokunnan laidalle, matkustamista on nopeutettava niin, ettei puhuta enää vuosikymmenistä.
Tarvitaan siis moottoreita, jotka antavat avaruusaluksille paljon lisää vauhtia.
Kilpikonna ohittaa jäniksen
Nykymallinen raketti polttaa valtavasti polttoainetta lyhyessä ajassa. Siksi moottorin pitää sammua jo muutaman minuutin kuluttua.
Atomikäyttöinen raketti kiihtyy hitaammin, mutta se voi koventaa vauhtiaan pitempään ja siten saavuttaa suuremman nopeuden.
Nasa kehittää yhdessä Yhdysvaltojen puolustusvoimien tutkimusorganisaation kanssa atomikäyttöistä DRACO-rakettia, joka voisi lentää Marsiin 100 päivässä. Nykyään lento kestää 210 päivää.
Kaksi yleisintä avaruusalusten atomitekniikkaa perustuu vetyyn ja ioneihin.
Atomikäyttöisessä vetymoottorissa atomien hajoamisesta peräisin olevalla energialla lämmitetään vetyä. Kaasu virtaa ulos suuttimesta ja saa näin aikaan työntövoimaa.
Ionimoottorissa raketin reaktori tuottaa virtaa, joka irrottaa elektroneja ksenonatomeista. Positiivisvarauksiset atomiytimet poistuvat suuttimen kautta.
Nasa kehittää kummankin moottorityypin yhdistävää DRACO-rakettia, joka laskelmien voisi lentää Marsiin 100 päivässä eli yli kaksi kertaa niin nopeasti kuin nykyään on mahdollista.
5 kertaa nopeammin päästäisiin Marsiin uudella rakettimoottorilla, jonka kehitystä Nasa rahoittaa.
Kaksi täysin uutta atomimoottoria tekee tavoitteesta vielä kunnianhimoisemman.
Aurinkokunta voidaan valloittaa halkeavilla atomeilla
Nasa valitsee tulevaisuuden kannalta kiinnostavimmat avaruustekniikat NIAC-ohjelmassaan (Nasa Innovative Advanced Concepts Program).
Viime valintakierroksella kolmen uuden avaruuslennoilla käytettävän moottorin kehityshankkeet saivat rahoituksen.
Yksi niistä on Floridan yliopistossa työskentelevän Ryan Gossen suunnittelema atomimoottori, joka toimii vety- ja ionitekniikan yhdistelmällä niin kuin DRACO.
Gossen innovaatio on moottorin vetyosan varustaminen paineaaltoahtimella eli aaltoroottorilla (engl. wave rotor), jota pyörittää moottoriin menevän vetykaasun paine ja joka saa poistuvan kaasun virtaamaan nopeammin.
Gossen mukaan hänen roottoriratkaisuaan hyödyntävä avaruusalus voi lentää Marsiin 45 päivässä eli noin viisi kertaa niin nopeasti kuin tätä nykyä.
Toinen Nasan rahoitusta saava atomimoottori hyppää tavallaan yhden vety- ja ionimoottoripolven yli.
Kun iso atomi hajoaa kahdeksi pienemmäksi atomiksi moottorin reaktorissa, molemmat pienet ytimet poistuvat yksinkertaisesti suoraan raketin suuttimesta. Energiaa ei siksi kulu kaasun lämmittämiseen tai ionien irrottamiseen atomeista.
Tällaisen moottorin haasteisiin kuuluu erityisesti ydinpolttoaineen, kuten plutonium-239:n, varastoiminen. Suunnittelija Ryan Weed on esittänyt luovan ratkaisun ongelmaan: polttoainetta säilytetään kevyessä aerogeeliksi kutsutussa kiinteässä huokoisessa vaahdossa, jonka tilavuudesta on tyhjää 99 prosenttia. Siksi varaston vetoisuus on suuri suhteessa sen kokoon ja painoon.
Uudet moottorit leikkaavat matka-aikaa
Pitkät avaruuslennot kestävät nykyään kuukausia tai vuosia. Kolmella uudenlaisella moottorilla avaruusalukset saataisiin lentämään nopeammin ja kauemmas. Niiden ansiosta Aurinkokunnan ulko-osiin päästäisiin suhteellisen lyhyessä ajassa.
1. Marsin asutus helpottuisi
Uusi rakettimoottori, joka käyttää atomivoimaa ja niin sanottua aaltoroottoria, voisi kuljettaa ihmisiä Marsiin 210 päivän sijasta 45 päivässä. Moottori edistäisi pysyvän tukikohdan perustamista Marsiin huomattavasti.
2. Aurinkoteleskooppi toteutuisi
Aurinko voi painovoimallaan taittaa eksoplaneetoista tulevaa valoa kuin linssi, mutta valoa vangitsevan avaruusteleskoopin pitäisi olla 82 miljardin kilometrin päässä. Nykyään perille päästäisiin tuskin edes 100 vuodessa, mutta uusi atomimoottori lyhentäisi matka-ajan 15 vuoteen.
3. Määränpää voisi olla toinen tähti
Atomien kuljettamana avaruusalus voisi mennä jopa kymmenen kertaa niin kauas kuin Voyagerit – muutamassa vuosikymmenessä – ja valmistella näin tutkimusmatkaa vaikka lähimpänä Aurinkokuntaa olevan vieraan tähden, Proxima Centaurin, ympäristöön.
Weedin atomiraketti saattaisi olla jopa 200 kertaa niin nopea kuin nykyraketit.
Siksi esimerkiksi Neptunus olisi saavutettavissa jo vuodessa vuosikymmenien sijasta. Vauhti mahdollistaisi miehitetyt avaruuslennot Aurinkokunnan kaikkiin osiin.
Teleskooppi etsii kaukaisia planeettoja
Jos mullistavat moottorit saadaan käyttöön, tähtitieteilijät voivat täyttää yhden suurimmista toiveistaan. He haaveilevat avaruusteleskoopista, joka käyttää Aurinkoa linssinä ja kuvaa kaukana sijaitsevia eksoplaneettoja.
Avaruusteleskooppi toimii suurennuslasina, jonka kupera linssi taittaa valoa ja näyttää katselukohteen kookkaampana.
Tällaisen teleskoopin toiminta perustuu siihen, että tähti kaareuttaa ympäröivää avaruutta valtavalla massallaan. Siksi takana olevalta planeetalta tuleva valo kiertyy Auringon ympäri ja muodostaa sen ympärille valokehän. Teleskooppi muuttaa valokehän esimerkiksi 100 valovuoden päässä sijaitsevan planeetan kuvaksi, josta voidaan erottaa esimerkiksi vuoria, jokia tai meriä.
Aurinkokunnan ulkopuolella toimiva teleskooppi voi käyttää Aurinkoa linssinä, sillä tähti kaareuttaa massallaan avaruutta ja voimistaa mahdollisesti Maan kaltaisilta eksoplaneetoilta tulevaa valoa.
Avaruusteleskooppi pitää lähettää Aurinkokunnan ulkopuolelle. Etäisyyden on oltava vähintään 550 kertaa Maan ja Auringon väli, jotta valokehä näkyy.
Matka kestäisi nykyraketeilla ainakin sata vuotta. Atomimoottorilla, joka ohjaa aerogeelillä hajonneita atomeja virtaamaan suuttimesta ulos, alus pääsisi perille sen sijaan vain 15 vuodessa.
Laser voi viedä ihmisen toiseen aurinkokuntaan
Vaikka atomimoottorit ovat jo hyvin tunnettu konsepti, jota kehitetään eteenpäin, Nasa rahoittaa myös täysin uutta keksintöä: työntövoimaa, joka ei ole peräisin itse avaruusaluksesta.
Artur Davoyan Kalifornian yliopistosta on esittänyt idean, joka lähtee siitä, että ensin laukaistaan avaruusalus ja sitten sen perään lähetetään maalitaulu, johon ammutaan Maasta voimakkaita laserpulsseja.
200 kertaa niin paljon kuin perinteinen rakettimoottori voi kiihdyttää uudenlainen atomimoottori avaruusalusta.
Jokainen osuma irrottaa pienen atomijoukon levyn pinnasta. Mikroskooppiset ryhmät kiitävät samaan suuntaan kuin laserpulssit ja törmäävät siten avaruusaluksen perään.
Lukuisat pienet pukkaukset nostavat nopeuden niin suureksi, että alus pääsee aurinkoteleskoopin sijoituspaikalle 15 vuodessa niin kuin Ryan Weedin atomirakettikin.
Lasertyöntömenetelmällä saattaisi olla mahdollista tehdä vielä pitempiä avaruuslentoja – aina Aurinkokunnan ulkopuolelle.
Nämä moottorit voivat mullistaa avaruuslennot
1. Roottorillinen atomiraketti kiitää
Reaktorin tuottama energia tuottaa ioni- ja vetyvirran. Vety ohittaa niin sanotun aaltoroottorin, joka kiihdyttää lisää suuttimesta poistuvaa virtausta. Nopeus on nelinkertainen perinteiseen rakettimoottoriin verrattuna.
2. Hajoavat atomit kiihdyttävät
Polttoaine, kuten plutonium-239, varastoidaan aerogeeliin, jonka tilavuudesta 99 prosenttia on tyhjää. Atomit hajoavat ja poistuvat suprajohtavan magneetin ohjauksessa suuttimesta. Alus on 200 kertaa niin nopea kuin perinteinen raketti.
3. Laser irrottaa paukkuja
Maasta lähetettävät lasersäteet osuvat avaruudessa olevaan levyyn. Siitä irtoavat pienet atomiryhmät osuvat aluksen perään ja antavat sille noin 500 000 kilometrin tuntinopeuden. Apollo 11 -astronautit lensivät ”vain” noin 40 000 km/h.
Artur Davoyan on puhunut itse tähtienvälisen avaruuden tutkimuksesta. Kyseessä olisi kartoituslento Aurinkokunnan ulkorajalle ja ehkä myös sen taakse.
Tällainen pilottihanke olisi tärkeä vielä pitemmälle menevien lentojen kannalta. On ajateltavissa, että avaruusaluksia lähetetään tutkimaan lähimpänä Aurinkokuntaa sijaitsevan vieraan tähden, Proxima Centaurin, ympäristöä ja etsimään elämää eksoplaneetoilta.
Kaikki kolme esiteltyä uutta tekniikkaa ovat vasta varhaisessa kehitysvaiheessa. Jos niitä käytetään joskus tulevaisuudessa, avaruusalukset voivat paitsi viedä ihmisiä Marsiin ja muihin Aurinkokunnan osiin myös toteuttaa haaveen toisissa aurinkokunnissa matkaamisesta.