Tiede kirii Tähtien sodan rinnalle

Hypernopeus ja valomiekka ovat Tähtien sota -elokuvien termistöä, mutta ne voivat pian olla myös todellisuutta. Tiede ottaa kiinni tieteiselokuvien etumatkaa, ja robottilääkäri ja valoa nopeammat avaruusalukset eivät enää kuulosta pelkältä mielikuvitukselta.

Hypernopeus ja valomiekka ovat Tähtien sota -elokuvien termistöä, mutta ne voivat pian olla myös todellisuutta. Tiede ottaa kiinni tieteiselokuvien etumatkaa, ja robottilääkäri ja valoa nopeammat avaruusalukset eivät enää kuulosta pelkältä mielikuvitukselta.

Kauan sitten kaukaisessa galaksissa ihmiset suihkivat tähdeltä toiselle valoa nopeammilla avaruusaluksilla ja ottivat mittaa toisistaan kaksintaisteluissa valomiekoin.

Silpoutuneet raajat korvattiin koneproteeseilla, yhteydenpitoon käytettiin 3D-hologrammeja ja sodissa tuhottiin kokonaisia aurinkokuntia planeetan kokoisilla aseilla.

Tähtien sota -elokuvien maailmassa tekniikka on ollut valovuosia edellä todellisuutta, mutta vähitellen oikea tekniikkakin alkaa päästä tieteiselokuvasaagan avaruusalusten, robottien ja lääketieteellisten saavutusten kintereille.

Tämä käsiproteesi nähtiin Tähtien sota: Episodi V:ssä.

© Star Wars/Lucasfilm

Elokuvat ovat toimineet myös inspiraation lähteenä tutkijoille, ja tuloksena on ollut suuria edistysaskelia muun muassa sairauksien hoidossa. Toisaalta tähtitieteilijät ovat huomanneet, että todellisuuden eksoplaneetat eivät poikkea paljonkaan valkokankaan maailmoista.

Tulevaisuuden kvanttitietokoneisiin kaavaillaan minikokoisia valomiekkoja, ja avaruusaluksetkin voivat yltää ainakin viidesosaan valon nopeudesta.

Lääketiede

Proteeseja liikutellaan ajatuksen voimalla, ja tosielämän vastineet Tähtien sodan droideille avustavat kirurgeja.

Torpedosta idea syövänhoitoon

Vuonna 1977 ensi-iltansa saaneessa elokuvassa Tähtien sota: Episodi IV – Uusi toivo Luke Skywalker tuhoaa Kuolemantähden – kuun kokoisen raskaasti aseistetun avaruusaseman – ampumalla protonitorpedoja sen heikkoihin kohtiin.

Samantapainen tekniikka on käytössä tosielämässäkin, mutta sitä ei käytetä tappamiseen vaan ihmisten hengen pelastamiseen. Protonitekniikasta kehitetään täsmähoitoa syöpään.

Tavanomaisessa sädehoidossa syöpäkasvaimiin suunnataan ionisoivaa röntgensäteilyä.

Ionisoiva säteily on sellaista säteilyä, jossa on kylliksi energiaa, jotta se voi riistää atomeilta elektroneja – eli muuttaa ne ioneiksi – ja samalla tuhota syöpäkasvaimen solujen molekyylejä.

Sädehoito tosin osuu myös kasvainta ympäröivään terveeseen kudokseen ja vahingoittaa sitä.

Tähtien sota -elokuvissa sairaaloissa lääkäreinä on droideja (vevasemmalla). Oikeissa sairaaloissa käytetään vaikeissa leikkauksissa da Vinci -leikkausrobottia (oikealla). Nykyisin se saa käskynsä ihmiskirurgilta, mutta tutkijoiden tavoitteena on robottikirurgi, joka toimii kokonaan itsenäisesti.

© Intuitive Surgical & Wookieepedia

Protonihoito on tarkempaa.

Synkrotroniksi kutsutulla hiukkaskiihdyttimellä saadaan protonit tietylle energiatasolle, joka vastaa haluttua syvyyttä ihon pinnasta eli paikkaa, jossa kasvain sijaitsee.

Suurin osa protonien energiasta vapautuu samalla, kun hiukkaset jarruttavat niiden kulkua kudoksessa.

Kun hiukkasten ”pysäkki” asetetaan kasvaimen kohdalle, protonien energia kohdistuu kasvaimeen eikä vahingoita ympäröivää tervettä kudosta.

© Mobius Bionics LLC

Robottikäsi tottelee ajatuksia

Luke-proteesi liikkuu, kun käyttäjä antaa käskyn mielessään. Siinä on myös tuntoaisti sormissa. Proteesi on yhdistetty käyttäjän kyynärvarren hermoihin ja niiden kautta aivoihin. Esikuvana on konekäsi, jonka Tähtien sota -elokuvien sankari Luke Skywalker sai menetettyään kätensä.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Elektrodi vastaanottaa aivosignaalin

Proteesi on yhdistetty elektrodeilla kyynärvarren hermoihin. Näin sepystyy lukemaan motorisesta aivokuoresta tulevia käskyjä, jotka kulkevat sähköisinä signaaleina hermoissa.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Algoritmi ohjaa moottoreita

Tietokone muuttaa aivosignaalin konekielisiksi komennoiksi proteesin moottoreille. Ne liikuttavat ranteen ja sormien niveliä niin, että käyttäjä saa otteen pallosta.

© Claus Lunau & lotte fredslund

Konesormen viesti kulkee aivoihin

Proteesin sormien anturit reagoivat mm. lämpötilaan ja paineeseen. Tiedot muutetaan signaaliksi, joka kulkee kyynärvarren hermoon ja siitä sensoriselle aivokuorelle, missä syntyy tuntoaistimus.

Näe Luke-robottikäsi toiminnassa

Tekniikka

Lasertekniikka ja fotonimanipulaatio tuovat valon nopeudella matkustamisen ja valomiekan lähemmäs todellisuutta.

Hologrammi tulee kouluun

Protonihoito on jo vähitellen vakiinnuttamassa asemansa hoitokeinona. Sen perässä on tulossa toinen Tähtien sodan inspiroima tekniikka: hologrammi.

Hologrammit ovat väliaineeseen, kuten kaasuun, heijastettavia kolmiulotteisia kuvia. Tähtien sodan maailmassa ne ovat olleet arkea alusta asti. Lääketieteessä niitä käytetään muun muassa sisäelinten tutkimiseen.

Tutkijat ovat saaneet fotonit eli valohiukkaset liittymään pieniksi ketjuiksi. Ilmiö on sama kuin Tähtien sodan valomiekoissa. Minivalomiekoille kaavaillaan käyttöä kvanttitietokoneissa.

© Shutterstock & Claus Lunau

Laser iskee rubidiumiin

Rubidiumatomeja jäähdytetään asteen miljoonasosan päähän absoluuttisesta nollapisteestä −273,15 °C. Kylmyys pitää atomit lähes paikoillaan. Atomipilveen ammutaan heikko lasersäde, jossa pilven läpi kulkee vain muutama fotoni kerrallaan.

© Shutterstock & Claus Lunau

Fotonit luovat polaritonin

Fotonit hyppivät pilvessä atomilta toiselle. Fotonit eivät voi yhdistyä toisiinsa, mutta ne voivat muodostaa atomin kanssa niin sanotun polaritonin. Polaritonit taas voivat liittyä toisiinsa. Samalla ne liittävät niihin yhdistyneet fotonit yhteen.

© Shutterstock & Claus Lunau

Fotoni ”muistaa” yhteyden

Fotonit yhdistyvät polaritoneissa kolmen ryhmiksi, joiden massa on vain murto-osa elektronin massasta. Kuljettuaan atomipilven läpi fotonit irtautuvat rubidiumatomeista, mutta ne pysyvät edelleen yhteydessä toisiinsa.

© Shutterstock & Claus Lunau

”Valomiekka” on syntynyt

Fotoniketju on lähin tosielämän vastine valomiekan terälle. Fotoniketjuja voidaan käyttää tulevaisuuden kvanttitietokoneissa.

Australialainen Voxon Photonics -yritys on kehittänyt tekniikan, jolla voidaan luoda todentuntuisia hologrammeja lasikuvun sisään. Hologrammiin heijastetaan 500 miljoonaa valopistettä sekunnissa. Elimen, esimerkiksi maksan, kuva koostuu sadoista kerroksista.

Jokainen kerros heijastetaan näytölle, joka liikkuu ylös alas ja siirtyy kerroksesta toiseen nopeammin kuin silmä ehtii havaita. Näin syntyy vaikutelma kolmiulotteisesta hologrammista, vaikka kuva oikeasti koostuu kerroksista.

Hologrammitekniikan mahdollisuudet eivät rajoitu lääketieteeseen. Yrityksen suunnitelmissa on muun muassa pelikon­soleita, joilla pääsee ottamaan mittaa kolmiulotteisten pelihahmojen kanssa.

VX1-hologrammikone heijastaa 500 miljoonaa valopistettä sekunnissa.

Hologrammeja kaavaillaan myös opetuksen tueksi kouluihin. Niiden avulla oppilaat pääsisivät tarkastelemaan eri suunnista niin planeettojen ratoja Aurinkokunnassa kuin mutkikkaita matemaattisia ongelmiakin.

Todellisuus kirii kiinni scifiä

Vuonna 1977 ensimmäinen Tähtien sota -elokuva oli tulevaisuuden tekniikan runsaudensarvi tai toiveiden tynnyri.

Silloin oli vielä seitsemän vuotta ensimmäiseen matkapuhelimeen ja 25 vuotta robottipölynimurien yleistymiseen. Elokuvassa sen sijaan vilisi lasereita, aurinkovoimalla kulkevia avaruusaluksia ja älykkäitä robotteja.

Sittemmin todellisuus on kirinyt scifin kintereille. Joiltakin osin varhaisimmat Tähtien sota -elokuvat voivat vaikuttaa jopa vanhanaikaisilta.

Niissä tietokoneiden näytöllä kuvat ovat rakeisia ja tärkeät tiedot tallennetaan fyysisille levyille sen sijaan, että ne siirrettäisiin salattuna tietoverkkoon.

Tähtien sodan maailmassa on yhä tekniikkaa, joka on pitkälti tieteen ulottumattomissa, kuten valomiekat ja valoa nopeammat alukset.

Vähitellen etumatka kuitenkin kutistuu. Tutkijat eivät hätkähdä hurjimpiakaan Tähtien sodan vempaimia, vaikka ne tuntuisivatkin luonnonlakien vastaisilta.

Valon nopeus on Tähtien sodan maailmassa normaali matkanopeus avaruusaluksille. Todellisuudessakin monet tutkijat pitävät mahdollisena, että tulevaisuudessa voidaan rakentaa moottoreita, joilla saavutetaan – tai ylitetään – valon nopeus ja pystytään matkustamaan muihin galakseihin.

Tähtitiede

Uusien eksoplaneettahavaintojen valossa Tähtien sodan maailmojen olosuhteet ovat oikeastaan varsin todenmukaisia.

Moni todellinen eksoplaneetta muistuttaa olosuhteiltaan Tähtien sota -elokuvien maailmoja. Toisten pinnalla virtaa laavaa, toiset ovat jään peitossa.

© JPL-Caltech/NASA

Kahden tähden kiertolaiset: Taivaalla paistaa kaksi aurinkoa

Tähtien sota -elokuvien Tatooine-planeetta kiertää kaksoistähteä. Kahden tai kolmen tähden planeettakuntia on tähtitieteilijöiden mukaan noin puolet kaikista. Esimerkiksi Kepler-teleskoopin löytämä Kepler-16 b -planeetta kiertää kahta tähteä, joista pienempi kiertää isompaa.

© Dana Berry/Kepler Mission/NASA

Laavaplaneetat: Pinnalla virtaa sulaa rautaa

Tähtien sodan laavaplaneetta Mustafar muistuttaa monessa suhteessa oikeaa Kepler-10 b -planeettaa. Se on massaltaan 3–4 kertaa Maan kokoinen eikä sillä ole kaasukehää. Pinnan lämpötila on keskimäärin 1 400 astetta, mikä riittäisi sulattamaan raudan.

© ESO & Claus lunau

Jääplaneetat: Kilometrien jääpeite

OGLE-2005-BLG-390Lb muistuttaa niin paljon Tähtien sota -elokuvien Hoth-jääplaneettaa, että Nasassa kutsutaan sitä Hothiksi. Sen kiertoaika tähtensä ympäri on 10 vuotta. Tähden massa on viidesosa Auringosta. Lämpötila planeetan pinnalla on −220 astetta.

Valopurje vie naapuritähtiin

Monien mielestä tulevaisuuden avaruusmatkailun kiinnostavimpia tekniikoita on niin sanottu valopurje, joka ei tarvitse polttoainetta. Valohiukkaset, fotonit, voivat liikuttaa avaruusalusta eteenpäin, kun niiden energia siirtyy suureen pintaan, eräänlaiseen purjeeseen.

Fotoneilla ei ole massaa, mutta koska ne liikkuvat kovaa vauhtia – valon nopeudella – niissä on energiaa, joka siirtyy purjeeseen, kun ne osuvat siihen.

Tähtien sota -elokuvissa liikutaan valoa nopeammin, mutta avaruusalus StarChip pääsee sentään viidesosaan valon nopeudesta. StarChipia liikuttaa niin sanottu valopurje, joka muuttaa Maasta ammuttavien lasersäteiden energian liike-energiaksi.

© claus lunau

Yksittäisen fotonin sisältämä energia on häviävän pieni, mutta toisaalta valo voi osua purjeeseen satojentuhansien kilometrien etäisyyden poikki.

Avaruudessa ei myöskään ole ilmanvastusta tai kitkaa, joka hidastaisi valopurjeen kulkua. Tutkijat ovatkin laskeneet, että teoriassa valopurje voisi saavuttaa viidesosan valon nopeudesta.

Jos niin kovaan vauhtiin päästäisiin, esimerkiksi matka Auringon lämmön tähti naapurin, Proxima Kentaurin, luo kestäisi vain muutaman vuosikymmenen.

Toistaiseksi pisimmälle ehtinyt avaruusalus, vuonna 1977 matkaan lähtenyt Voyager 1 -luotain, on ehtinyt juuri Aurinkokunnan rajan tuolle puolen. Sillä vauhdilla Proxima Kentauri on vielä 75 000 vuoden päässä.

Toisten suunnitelmien mukaan valopurjetta työnnettäisiin eteenpäin lasereilla. Toisissa taas fotonien lähteenä toimisi Aurinko. Yhdysvaltalainen avaruustutkimusjärjestö The Planetary Society on testannut Light Sail 2 -nimellä kulkevaa purjetta, jonka pinta-ala on 32 neliömetriä.

Light Sail 2 vietiin satelliitin mukana Maata kiertävälle radalle, ja kun se avattiin 23. heinäkuuta 2019, se kuljetti neljässä päivässä satelliittinsa kaksi kilometriä korkeammalle radalle pelkästään auringon­säteiden voimin. Koelento osoittaa, että valopurjeen perusperiaate on oikea: fotonit voivat puskea purjetta eteenpäin.

Poimuajolla hypernopeuteen

Tähtien sodan maailmassa avaruusalukset lentävät hypernopeudella, jopa tuhatkertaisella valon nopeudella. Jotta matkat muihin galakseihin voivat joskus olla mahdollisia, todellisuudessakin on voitava uhmata tunnettuja fysiikan lakeja. Nasan tutkijat ovatkin tosissaan pohtineet niin sanotun Alcubierren poimuajon mahdollisuutta.

Albert Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan mikään ei voi liikkua nopeammin kuin valo. Luonto kuitenkin itse rikkoo tätä luonnonlakia. Avaruusalus ei voi ylittää valon nopeutta, mutta itse avaruus voi.

Näin tapahtui heti alkuräjähdyksen jälkeen, kun maailmankaikkeus laajeni rajusti sekunnin murto-osassa. Meksikolaisen fyysikon Miguel Alcubierren ajatus poimuajosta perustuu tähän ilmiöön.

2 km korkeammalle radalle satelliitti nousi auringonsäteiden voimin.

Teorian mukaan avaruusalus voitaisiin sijoittaa poimuun tai kuplaan, jonka takana avaruus laajenee ja jonka edessä se supistuu. Laajeneva avaruus työntäisi alusta eteenpäin valoa nopeammin.

Teorian ongelma on se, että avaruuden poimuttamiseen tarvitaan negatiivista energiaa, jota ei ole toistaiseksi havaittu luonnossa.

Tähtien sodan Starkiller-tukikohta saa tulivoimansa tähdistä, joita se nielee. Valkokankaan ulkopuolella tähtiä voivat niellä vain mustat aukot. Vuonna 2018 havaittiin ensi kerran, miten mustaan aukkoon syöksyvästä yhä kiivaammin pyörivästä tähdestä sinkoilee ainetta.

© Star Wars/Lucasfilm & Sophia Dagnello/NRAO/AUI/NSF