Raketopsendelse

Uudessa rakettimoottorissa palavat sen sisuskalut

Pian avaruusraketeissa ei enää tarvita suuria, raskaita polttoainesäiliöitä. Kehitteillä oleva moottorityyppi tuottaa työntövoimaa polttamalla itseään. Kevyempi ratkaisu säästää laukaisukuluja ja vähentää avaruusromua.

Shutterstock

Laukaisualustasta irronnutta rakettia seuraa oranssina hehkuva kaasupilvi. Moottori jylisee kuin ukkonen, kun raketti taistelee kaasusuihkullaan painovoimaa vastaan noustessaan ilmaan.

Jonkin ajan kuluttua maapalloa alkaa kiertää uusi satelliitti, mutta tällä kertaa lähettämisestä ei jää Maan ympärille tavallista määrää avaruusromua. Kun raketti on tehnyt tehtävänsä, se on kirjaimellisesti palanut loppuun, sillä sen moottori on polttanut itseään koko ajan.

Visioitu tapahtuma perustuu kehitteillä olevaan rakettimoottorityyppiin, jota nimitetään autofagiseksi eli itseään syöväksi. Ukrainalaisen Oles Hontšarille nimetyn Dnipron kansallisen yliopiston ja skotlantilaisen Glasgow'n yliopiston vuonna 2018 julkistamien tutkimustulosten mukaan autofaginen moottori on realistinen: teoria on saatu laboratoriossa toimimaan käytännössä.

Tutkijoiden rakentamalla autofagisen eli itseään syövän moottorin mallilla on jo tehty monta onnistunutta koetta.

Tarjolla on ratkaisu sellaisiin pahoihin avaruuslentojen ja -tutkimuksen ongelmiin kuin rakettien laukaisun kalleuteen ja syntyvän avaruusromun suureen määrään.

Maapallolta on vaikea päästä pois

Perinteiset avaruusraketit ovat tehottomia kuljetusvälineitä. Hyötykuorman osuus jää alle viiteen prosenttiin raketin kokonaispainosta, ja monesti luku on lähempänä yhtä kuin viittä. Polttoainetta siitä on sen sijaan yli neljä viidesosaa. Vertailun vuoksi mainittakoon, että matkustajalentokoneissa hyötykuorman osuus – matkustajat ja matkatavarat – kieppuu 50 prosentin tienoilla.

Huono hyötysuhde johtuu avaruuslentojen pääongelmasta: Maan painovoimasta. Jotta esimerkiksi satelliitti pysyy Maata kiertävällä radalla, sen pitää liikkua vähintään 40 000 kilometriä tunnissa. Jos nopeus on pienempi, maapallo vetää satelliitin painovoimallaan avaruudesta.

Satellitter i kredsløb

Jotta satelliitti pysyy Maata kiertävällä radalla, sen pitää liikkua vähintään 40 000 kilometrin tuntivauhtia.

© NASA

Maasta avaruuteen siirtyminen onnistuu vain valtavalla vastavoimalla. Sen suuruus riippuu massasta, ja eteenpäin pääsyyn tarvitaan jatkuvasti työntövoimaa. Tästä syystä rakettien on kuljetettava mukanaan isot säiliölliset polttoainetta ja palamiselle välttämätöntä happea.

Lisäksi sekä ajoainetta että hapetinta pitää jäähdyttää, jotta ne pysyvät nestemäisinä. Sitä varten raketeissa on jäähdytysjärjestelmä. Säiliöt on pakko rakentaa myös niin, että nesteet eivät pääse loiskumaan. Aaltoileva, vellova liike voi nimittäin kääntää raketin pois kurssistaan.

Nykyiset ratkaisut ovat kalliita ja raskaita, ja jokainen lisäkilo nostaa raketin lähettämisen hintaa. Kaikkein tehokkaimmilla raketeilla puolen litran vesipullon kuljetus ISS:lle eli kansainväliselle avaruusasemalle maksaa tätä nykyä 8 700 euroa.

Autofaginen moottori käyttää nestemäisen sijasta kiinteää polttoainetta, joka voidaan sisällyttää siihen. Kiinteää ainetta polttavan moottorin etuihin kuuluu se, että se ei vaadi polttoainetta jäähdyttävää ja sen liikkeitä vaimentavaa järjestelmää eikä polttoainepumppuja. Tämä yksinkertaistaa ja keventää rakennetta, mutta yksinkertaisuuden kääntöpuoli on jäykkyys.

Polttoaine irtoaa moottorista

Raketti ei tarvitse polttoainesäiliötä, kun ajoaine on kiinteä moottorin osa. Koska moottori polttaa itseään, se hupenee jatkuvasti matkan aikana.

1. Kiinteä polttoaine kaasuuntuu moottorissa

Mäntä painaa kiinteästä polttoaineesta ja hapettimesta koostuvan sauvan moottorin keskellä sijaitsevaan kaasutussuppiloon. Tämä kuumennetaan käynnistettäessä sähköisesti, mutta käynnistyksen jälkeen polttokammion lämpö riittää. Kuumuudessa polttoaineesta ja hapettimesta syntyy kaasuja.

2. Kaasut virtaavat ­polttokammioon

Kaasut ohjautuvat kanavistoon, joka sijaitsee suppilon ja polttokammion välissä. Polttoaine ja hapetin pidetään vielä erillään, koska kuumuuden vuoksi seos syttyisi liian aikaisin. Pienet suuntaventtiilit, joita on 16, päästävät kaasut polttoainekammioon.

3. Pakokaasut työntävät rakettia

Polttoaineen, hapettimen ja kuumuuden yhdistelmä saa aikaan syttymisen. Palamisessa syntyvä kaasuseos, joka sisältää muun muassa typpeä, vesihöyryä, hiilimonoksidia ja vetyä, nostaa painetta polttokammiossa niin, että palokaasut purkautuvat suuttimen kautta moottorista. Pakokaasuvirran työntövoima kuljettaa rakettia eteenpäin.

Pelkistetty kiinteän ajoaineen moottori muistuttaa polttokammiottomana ilotulitusrakettia. Ratkaisulle on ominaista tiiviisti pakatun polttoaineen tasaisen voimakas palaminen. Toisin kuin raketti, jonka moottorin polttokammioon palavaa ainetta suihkutetaan erillisestä säiliöstä, kiinteän ajoaineen raketti ei voi kiihdyttää eikä hidastaa vauhtiaan eikä myöskään pysähtyä.

Nasan avaruussukkuloissa käytettiin kiinteän ajoaineen moottoreita, jotka toimivat alumiinijauheella ja ammoniumperkloraatilla. Vaikka monissa ohjuksissakin on kiinteän ajoaineen moottori, ratkaisulla ei saavuteta – vielä – riittävän hyvin sitä navigointikykyä, jota esimerkiksi satelliitin kuljettaminen kiertoradalle tai avaruusaluksen telakoituminen ISS:ään vaatii.

Palaa kuin steariinikynttilä

Autofagisen moottorin pitäisi kuitenkin yhdistää parhaat puolet kahdesta vaihtoehdosta: kiinteästä polttoaineesta ja käytön joustavuudesta.

Säätyvyys perustuu polttoaineen annosteluun sauvasta, joka on valmistettu kiinteästä ajoaineesta ja hapetinjauheesta. Sauvaa poltetaan toisesta päästä kuin kynttilää. Itse moottori koostuu männästä ja kaasutussuppilosta, jota ympäröi polttokammio.

Autofagraket

Autofagiraketin kiinteä polttoaine sijoitetaan suppilon muotoiseen moottorin osaan.

© University of Glasgow

Moottori saadaan käyntiin kuumentamalla kaasutussuppilo. Koemallissa lämmittämiseen käytetään kaasua, joka sytytetään sytytystulpalla, mutta tavoite on korvata se sähköisellä kuumentimella.

Polttoaine- ja hapetinsauva painuu kaasutussuppiloon leveästä päästä, ja kuumuus saa polttoaineen ja hapettimen kaasuuntumaan. Kun seos syttyy polttokammiossa, syntyy palokaasuja, jotka poistuessaan pakokaasuna työntävät rakettia.

Kun moottori on käynnistynyt, se jatkaa toimintaansa palamisen varassa, sillä polttokammion lämpö pitää yllä polttoaineen ja hapettimen kaasuuntumista. Raketin vauhtia voidaan säätää vaikuttamalla männän ohjauksen kautta suppilossa vallitsevaan paineeseen. Moottori on myös mahdollista sammuttaa poistamalla paine.

Tutkijat ovat siis suunnitelleet säätyvän rakettimoottorin, joka on melkein yhtä yksinkertainen kuin ilotulitusraketti. Tulevissa kokeissa etsitään polttoaine- ja hapetinvaihtoehtojen joukosta parhaat yhdistelmät ja testataan keskeisten osien eri malleja moottorin hyötysuhteen optimoimiseksi.

CubeSat

Tulevaisuudessa avaruuteen voidaan laukaista neliskulmaisia CubeSat-minisatelliitteja. Ne ovat pienoisversioita uudesta autofagiraketista.

© NASA

Pienoisraketit kuljettavat nanosatelliitit kiertoradalle

Itseään syövä raketti voidaan rakentaa perinteistä pienemmäksi, koska kiinteä polttoaine vaatii vähemmän tilaa kuin polttoaine-säiliöön varastoitava nestemäinen ajoaine. Uusi moottori sopii hienosti laatikkomaisten CubeSat-nanosatelliittien lähettämiseen. Nykyään Maata kiertää vajaat 900 CubeSatia, jotka koostuvat vähintään yhdestä noin 10 x 10 sentin moduulista. Niiden ansiosta muun muassa yliopistot ovat voineet tehdä melko edullisia satelliittitutkimuksia. CubeSatit ovat herättäneet kiinnostusta monilla aloilla. Niistä voi olla apua esimerkiksi ilmastonmuutoksen ja luonnon-mullistusten seurannassa. Keväällä 2018 kaksi CubeSatia lähetettiin kohti Marsia Nasan InSight-laskeutujahankkeessa.

Autofaginen rakettimoottori ottaa kaiken käyttämänsä kiinteän ajoaineen itsestään. Polttoainesäiliötä ei tarvita, koska energianlähteenä toimiva sauva on voimakoneen perusrakenne.

Käynnistyshetkestä alkaen moottorissa palaa sauvasta lähtöisin oleva aine. Kun raketti hyötykuormineen saapuu määränpäähän, moottori voi olla sisältä melkein tyhjää täynnä.

Keksintö ennakoi kevyempiä, yksinkertaisempia ja rakennus- ja käyttökustannuksiltaan edullisempia raketteja. Autofagisen moottorin myötä olisi mahdollista jopa kolminkertaistaa satelliittien laukaisumäärä kymmenen vuoden aikajänteellä.

Lisäksi se lupaa puhtaampaa tulevaisuutta avaruusromua keräävillä kiertoradoilla. Ei siis ihme, että itseään syövä moottori kiehtoo.

Lue myös:

Raketti
Raketit

Kysy meiltä: Miten raketti voi liikkua avaruuden tyhjiössä?

2 minuuttia
Ydinvoima

Torium ja suola tuottavat tehokkaasti energiaa

12 minuuttia
Rocket_Germany
Raketit

Mistä alkoi avaruusaika?

0 minuuttia

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!