Japanilainen H-IIB-raketti lähti matkaan ison metelin saattelemana 22. päivänä syyskuuta 2018. Sen määränpäänä oli Kansainvälinen avaruusasema ISS, jonne se saapui viisi päivää myöhemmin.
Raketin kuorma oli pieni: lastina oli kaksi satelliittia, joiden mitat olivat 10 x 10 x 27 senttiä ja joita yhdisti 14 metrin teräsvaijeri.
Kaksi viikkoa myöhemmin lasti lykättiin avaruuteen ISS:ltä. Nyt satelliitit kiertävät maapalloa samalla vauhdilla kuin avaruusasema eli 27 724 kilometriä tunnissa.
Avaruushissiä jäljittelevät STARS-Me-satelliitit päästettiin avaruuteen Kansainväliseltä avaruusasemalta lokakuun 6. päivänä 2018.
Päästyään avaruuteen satelliitit ajautuivat eroon toisistaan ja teräsvaijeri jännittyi niiden välille. Sitten rakennelma oli valmis suorittamaan historiallisen kokeen: onnistuuko hissi kulkemaan vaijeria pitkin satelliitista toiseen painottomassa tilassa?
Japanilaissatelliiteilla tehty koe oli esimakua huomattavasti suuremmasta hankkeesta. Viimeistään vuonna 2050 pitäisi Maan pinnalta päästä hissillä 96 000 kilometrin korkeuteen avaruuteen.
Sinne on määrä rakentaa rakettiasema, josta avaruusalukset lähtevät lennoille. Näin avaruuslentojen kustannuksia voitaisiin huomattavasti pienentää nykyisestä.
Minihissi raivaa tietä
Japanilaisten koe on nimeltään STARS-Me, ja sen takana ovat Shizuokan yliopiston tutkijaryhmä ja rakennusyhtiö Obayashi.
Miniatyyriavaruushissi eli MSE (Miniature Space Elevator) kulkee satelliittien välillä pyörivän moottorin voimin. Moottori on kiinni vaijerissa ja työntyy eteenpäin kitkan avulla. Hissi kertoo asemastaan, tilastaan ja vaijerin huojunnasta Bluetooth-yhteyden kautta toiselle satelliiteista, joka välittää tiedot Maahan. Kummassakin satelliitissa on myös kamera, joka kuvaa hissin liikettä.
Tutkijat odottavat miniavaruushissiltä tietoa siitä, millainen rasitus teräsvaijeriin syntyy, kun hissi kulkee siinä edestakaisin.
Jos täysimittainen avaruushissi joskus saadaan käyttöön, sen vaijerin on kestettävä valtavia voimia, koska painovoima kiskoo sitä koko ajan kohti Maata samalla, kun sen yläosa pyrkii etääntymään Maasta.
Avaruushissi seuraa maapallon pyörimisliikettä oman akselinsa ympäri samalla tavalla kuin narun päähän sidottu kivi seuraa narua pyörittävää ihmistä. Jos naru katkeaa, kivi lähtee lentämään suoraa linjaa pitkin. Sama voima kiskoo avaruushissin yläpäätä poispäin maapallosta.
Maan pinnan ja Maata kiertävän vastapainon välissä kulkevan hissin tulee seurata Maan pyörimisliikettä.
Avaruushissi seisoo vakaasti päiväntasaajalla
Japanilaissuunnitelman mukaan avaruushissin alin pysäkki kelluu meressä päiväntasaajalla. Hissivaijerin toinen pää on vastapaino, joka kiertää niin sanotulla geostationaarisella radalla, missä se on Maahan nähden koko ajan samassa pisteessä.
Maasta katsottuna hissin vaijeri näyttää seisovan paikallaan, mutta todellisuudessa se liikkuu samaa vauhtia kuin Maa pyörii eli 1 674,4 kilometriä tunnissa.
Maan pyörimisliike myös osaltaan nostaa vaijerissa kulkevaa hissikoria. Kun hissin painopiste on vähintään 35 786 kilometrin korkeudessa Maan pinnasta, maapallon painovoiman vaikutus hissiin tasoittuu niin, että vaijeri pysyy vakaana ja suorana. Muuten koko hissirakennelma romahtaisi Maahan.
Kokeessa testataan myös hissin ja teräsvaijerin yhteispeliä, jotta varsinainen avaruushissi voidaan suunnitella mahdollisimman toimivaksi.
Vaijerin huojuntaa on tarkoitus ehkäistä tekemällä hissikorista kaksiosainen niin, että kukin osa riippuu eri puolella vaijeria ja tasoittaa siten toisen osan painoa. Toinen mahdollisuus on sijoittaa hissikori vaijerin ympärille. Se toisi vakautta, mutta silloin vaijerissa voisi kulkea vain yksi hissikori.
Hiilinanoputki tekee scifistä totta
Ajatus hissistä, joka vie Maan päältä avaruuteen, esiteltiin jo 1800-luvun lopulla. Se oli kuitenkin lähinnä tieteiskirjallisuuden aiheena satakunta vuotta, koska ei ollut olemassa materiaaleja, joista olisi voitu rakentaa kyllin kestävä hissivaijeri.
Tilanne muuttui 1990-luvun alussa, kun tutkijat keksivät nanohiiliputket. Nanohiiliputket koostuvat erittäin lujasti toisiinsa sitoutuneista hiiliatomeista, mikä tekee niistä lujimman tunnetun aineen.
Vaikka nanoputket ovat lupaava ehdokas hissivaijerin materiaaliksi, niitä ei ole vielä saatu valmistettua riittävän suuria määriä. Obayashi-yhtiön laskelmien mukaan avaruushissin vaijeriin tarvittaisiin noin 7 000 tonnia hiilinanoputkia.
Japanilaisten STARS-Me-satelliittien taustalla on Shizuokan yliopiston ja Obayashi-rakennusyhtiön yhteinen tutkijaryhmä. Satelliitit ovat edessä olevalla pöydällä.
Vielä on epäselvää sekin, mikä olisi paras menetelmä hissin rakentamiseksi. Obayashin suunnitelman mukaan vuonna 2032 pitäisi olla valmiina päiväntasaajalla meressä kelluva asema, josta nostetaan ilmaan 20 tonnin painoinen kaapeli.
Seuraavien 18 vuoden aikana vaijeria korotetaan kappale kappaleelta, kunnes se lopulta yltää 96 000 kilometrin korkeuteen.
12 500 kilon vastapaino pitää avaruushissin vaijerin ja muut rakenteet vakaana.
Toinen vaihtoehto on aloittaa rakentaminen avaruudesta. Tätä mieltä on kansainvälinen avaruushissikonsortio ISEC, johon kuuluu eri alojen tutkijoita ja jota tukee muun muassa ohjelmistoyritys Microsoft.
Konsortio visioi, että ensin koottaisiin avaruusasema Maata kiertävälle geostationaariselle radalle, jolla se pysyy aina samassa pisteessä Maan pintaan nähden.
Asemasta aletaan rakentaa vaijeria ylös- ja alaspäin samanaikaisesti niin, että aseman painopiste ei järky. Kun vaijeri on kiinni Maassa, sen rinnalle voidaan rakentaa lisää vaijereita lisäämään hissin kuljetuskapasiteettia.
Hissi kuljettaa halvemmalla
Avaruushissi tekisi avaruusmatkoista halvempia. Nykyraketeissa polttoainesäiliöt vievät 90 prosenttia tilavuudesta. 5 prosenttia on rungon rakenteita, ja hyötykuormalle ja astronauteille jää vain 5 prosenttia.
Avaruushissi toimisi aurinkopaneelien tuottamalla sähköllä, joten hyötykuormalle ja matkustajille jäisi paljon enemmän tilaa. Obayashi-yhtiön mukaan avaruushissillä saataisiin kuljetettua 35 000 kilometrin korkeudessa kiertävälle avaruusasemalle 30 matkustajaa 7,5 vuorokauden aikana. Hissin nopeus olisi 200 kilometriä tunnissa.
Kansainvälinen avaruustutkijoiden yhdistys International Academy of Astronautics julkaisi 2014 raportin, jonka mukaan yhden rahtikilon kuljettaminen avaruusasemalle avaruushissillä maksaisi 500 euroa. Avaruusraketilla hinta olisi 18 000 euroa.
Avaruuslento alkaa hissimatkalla
Jos satelliiteilla tehty koe onnistuu, seuraava vaihe on täysimittainen hissi, joka vie 35 000 kilometrin korkeuteen. Siellä oleva asema voisi toimia avaruuslentojen lähtöpaikkana. Kustannukset olisivat murto-osa nykyisistä.
Vastapaino pitää aseman paikallaan
Hissirakennelman painon pitää olla sama avaruusaseman ylä- ja alapuolella. Siksi vaijerin päässä pitää olla 12 500 kilon paino. Se voisi olla esimerkiksi avaruudesta siepattu asteroidi.
Laser antaa sähköä hissille
Hissikori kulkee pyörien avulla vaijeria pitkin. 40 kilometrin korkeuteen asti hissin aurinkokennot saavat sähköä Maasta ammuttavista lasersäteistä. Sitä ylempänä riittää auringonsäteily.
Vaijeri tehdään nanoputkista
Hissivaijeri aiotaan tehdä hiilinanoputkista. Nanoputket koostuvat hiiliatomikerroksista, jotka asettuvat lieriöiksi. Ne ovat 117 kertaa niin lujia kuin teräs ja 30 kertaa niin lujia kuin kevlar.
Hississä voi olla myös väliasemia. Ne voitaisiin sijoittaa satelliittien kiertoratojen mukaan. Etenkin matalilla radoilla kiertävien satelliittien määrä kasvaa.
Marraskuussa 2018 julkaistun laskelman mukaan vuoteen 2027 asti lähetetään Maata kiertäville radoille noin 330 satelliittia vuodessa. Määrä on kolminkertaistunut kymmeneen viime vuoteen verrattuna.
Hissin pääteasema voisi olla myös avaruusalusten lähtöasema, sillä noustessaan vaijeria pitkin hissi kiihtyy Maan pyörimisliikkeen vaikutuksesta. Jos kyydissä olisi hissikorin sijaan avaruusalus, se saisi hissikyydistä hyvän alkuvauhdin matkalleen.