torstai 8. joulukuuta 2022

Laserjunalla avaruuteen

Ajankohtaiset kirjoitukset tuntuvat olevan nykyään aivan liian masentavia. On järjetön sota. Ja on uhkaavasti kiihtyvä ilmaston lämpenemisen ja lajien tuhoutumisen ekokriisi, joille kukaan ei todellakaan näytä haluavan tehdä mitään.

Mutta onneksi ihmisellä on myös kyky haaveilla ja kuvitella. Eikä se ole pelkästään eskapismia, ei oikeataan ollenkaan. Kyky haaveilla ja kuvitella on ihmiskunnan tärkeimpiä resursseja. Se on pelastanut ihmiskunnan, ja toivottavasti se pelastaa meidät myös jatkossakin.

Jossain törmäsin juuri sanaan avaruushissi, en oikein muista mistä se tuli. Ja samalla huomasin, että sen rakentamista tai edes toimintaa ei ole oikeastaan selitetty ymmärrettävällä tavalla yleistajuisessa suomenkielisessä tietokirjallisuudessa. Ryhdytään siis perehtymään asiaan.

Avaruushissi tarjoaa yksinkertaisen ja ympäristöystävällisen tavan päästä avaruuteen. Sen avulla voidaan viedä satelliitteja tai miksei myös ihmisiä kiertoradalle ilman kalliita, vaarallisia ja saastuttavia kantoraketteja. Idea on hämmästyttävän yksinkertainen. Geosynkronisen satelliitin ja maanpinnan väliin on asennettu vaijeri, jota pitkin kuormia voidaan kuljettaa avaruuteen ikään kuin hissillä. Miksei tällaista laitetta ole jo rakennettu? Ehkä useimmille, jotka asiasta ensi kertaa kuulevat tulee mieleen aavistus, että se ei ole käytännössä eikä ehkä edes teoriassakaan mahdollista. Ehkä koko ajatus on jollain olennaisella tavalla virheellinen.

Miten tällainen ajatus voi edes juolahtaa jonkun mieleen? Niin kuin tässä maailmassa on asian laita, kaikista oudoimmillakin ideoilla on yleensä jokin kulttuurinen tai historiallinen tausta. Ihmiset kun ovat haaveilleet tuhansia vuosia. Vanha tarina kertoo intialaisesta tai jonkun muun itäisen maan fakiirista tai taikurista. Hänellä on köysinippu, jonka hän paiskaa ilmaan. Köyden pää nouseekin ylös ja jää sieltä riippumaan, ikään kuin tyhjästä. Sitten taikurin apulainen kiipeää köyttä myöten ylös ja katoaa näkyvistä. Taikuri vyyhteää köytensä, kumartaa ällistyneelle yleisölle ja kerää palkkionsa.

Tarinassa "Jaakko ja pavunvarsi" Jaakko saa haltuunsa pavun ja istuttaa sen maahan. Pian siitä kasvaa verso, joka voimistuu ja kasvaa pituutta, kunnes se katoaa pilviin. Jaakko kiipeää vartta pitkin ylös ja kokee siellä vaarallisia seikkailuja. Tämäkin kertomus tunnetaan ympäri maailmaa, se on satoja vuosia vanha. Raamatun kertomuksessa Baabelin tornista ei rakennetakaan hissiä, vaan niin korkea torni että sen kautta voidaan nousta taivaalliseen valtakuntan.

Vakavan ehdotuksen avaruushissistä teki neuvostoliittolainen insinööri Juri Artsutanov. Vuonna 1960 hän julkaisi Komsomolskaja Pravdassa artikkelin ”Sähköjunalla avaruuteen”. Siinä selostettiin hissin toimintaperiaatetta ja arvioitiin ideaa eri näkökulmista. Ja oikeastaan venäläinen avaruuspioneeri Konstantin Tsiolkovski oli kirjoittanut siitä jo vuonna 1895. Idea ei kuitenkaan herättänyt huomiota, ennen kuin tiedelehti Nature julkaisi Artsutanovin kirjoituksen tiivistelmän seitsemän vuotta myöhemmin. Tieteiskirjailija Arthur C. Clarke havainnollisti ideaa romaanissaan ”Paratiisin suihkulähteet” vuonna 1980 (suom. 1981). Avaruushissistä oli nyt tullut yleisesti tunnettu, ja vakavasti pohdittu konsepti.

Mutta onko se mahdollinen? Jo hyvin karkeat laskelmat osoittavat, että ei ole. Artsutanovin konseptissa hissin tueksi piti rakentaa korkea torni. Voidaan kuitenkin helposti osoittaa, että jo ilmakehän ylempiin osiin ulottuva teräsrakennus murskautuisi oman painonsa alle. Myös vapaasti riippuva teräsvaijeri katkeaisi omasta painostaan muutaman kymmenen kilometrin pituisena. Edes titaanin käyttö ei pelastaisi konseptia. Kevlar-kuitu on painoonsa nähden viisi kertaa terästä lujempaa, mutta sekään ei riitä avaruushissin tarpeisiin. Synteettinen hämähäkin seittilanka olisi vielä hieman vahvempaa, mutta sen valmistusta ei edes vakavasti tutkita.

Joten avaruushissin idea ajautui nopeasti umpikujaan, se olisi ehkä periaatteessa toimiva, mutta siltä puuttuu materiaalinen perusta. Mutta loppuiko hissin tarina tähän? Ei, sillä materiaalinen perusta onkin yllättäen löytynyt. Vuonna 1991 Japanilainen fyysikko Sumio Iijima raportoi valmistaneensa hiilinanoputkia. Keksintö on mullistava, sillä hiilinanoputkilla on ainutlaatuisia sähköisiä, optisia ja mekaanisia ominaisuuksia.

Hiilinanoputki voidaan kuvata putkena jonka seinät muodostuvat kuusikulmaisten hiilimolekyylien levystä. On yksi- ja monikerroksisia hiilinanoputkia. Ne ovat erittäin pieniä, putken läpimitta on puolesta muutamaan nanometriin (millimetrin miljoonasosa). Käytännössä voidaan valmistaa millimetrien, ja jopa senttimetrien pituisia hiilinanoputkia. Sopivan polymeerin avulla niitä voidaan liimata yhteen komposiittimateriaaliksi, jonka avaruushissin kannalta kiinnostavin sovellus on nanoputkilanka. Tällaisella materiaalilla on ylivoimaisia ominaisuuksia. Sen ominaispaino on vain viidesosa teräksen ominaispainosta, ja vetolujuus on yli satakertainen teräkseen verrattuna. Massayksikköä kohti sen vetolujuus on 250 kertaa teräksen lujuus. Nämä ominaisuudet riittävät, avaruushissi voisi olla mahdollinen. Mutta mitä se voisi tarkoittaa käytännössä?

Aloitetaan avaruushissin periaatteesta, ja turvaudutaan siinä havainnolliseen mielikuvaan. Ajatellaan, että maapallon päiväntasaajan kohdalle kiinnitetään pitkän vaijerin toinen pää. Jos vaijeri olisi riittävän pitkä, maapallon pyöriessä keskipakovoima vetäisi vaijerin suoraksi. Tänä olisi kuin fakiirin köysitemppu käytännössä. Vaijeri nousisi suoraan ylös, ja sen toinen pää katoaisi kaukaisuuteen.

Mutta vaijerin pitäisi olla hyvin hyvin pitkä. Geosynkronisen satelliitin radan korkeudella, kuuden maan säteen päässä eli 36 000 kilometrin korkeudella, painovoima ja keskipakovoima vasta kumoaisivat toisensa. Käytännössä on järkevää sijoittaa kaapelin vapaaseen päähän vastapaino. Sopiva vaijerin pituus olisi 100 000 km. On kiinnostavaa pohtia miten paljon tällainen vaijerimäärä painaisi, jos se valmistettaisiin edellä kuvatusta hiilinanoputkimateriaalista. Lisäksi vaijerin pitäisi pystyä nostamaan riittävän suuria kuormia, jotta hissi olisi hyödyllinen. Eräs laskelma antaa seuraavat luvut: itse vaijeri painaisi noin 990 tonnia, mikä edellyttää lisäksi 330 tonnin painoisen vastapainon.

Tilanne näyttää käytännössä hissin rakentamisen kannalta äärimmäisen haastavalta. Kuviteltavissa olevien kantorakettien teknologialla geosynkroniselle radalle pystytään laukaisemaan enintään muutamia kymmeniä tonneja painava avaruusalus. Joten: avaruushissi on teoriassa mahdollinen, mutta sitä olisi täysin mahdotonta sijoittaa pakalleen.

Mutta ihminen on kekseliäs olento. Hissi voidaan ajatella rakennettavaksi vähän kerrallaan. Katsotaan, miten tällainen hanke viedään läpi, ja millaisia muita haasteita tulee vastaan.

Aloitetaan tärkeimmästä ja kriittisimmästä komponentista eli vaijerista. Itse asiassa varsin nopeasti ymmärrettiin, että ei ole järkevää tehdä poikkileikkaukseltaan pyöreää vaijeria. Syynä ovat mikrometeoriitit. Pääosa hissistä sijaitsee meteoriiteilta suojaavan ilmakehän ulkopuolella. Laskelmat osoittavat, että suurella nopeudella tapahtuva mikrometeoriitin törmäys olisi sekä tuhoisa että todennäköinen. Voidaanko tämä ongelma mitenkään kiertää?

Meteoriitteja ei voi torjua eikä väistää, vaan ratkaisuna on muuttaa vaijerin muotoa. Siitä on syytä tehdä ohut nauha. Eräässä ratkaisussa nauhan leveys olisi 10 cm, mutta paksuus vain 1 mikroni, siis millimetrin tuhannesosa. Tämä kuulostaa ällistyttävältä, mutta pitää muistaa, että tällaista muotoa käytettäisiin vain ilmakehän ulkopuolella. Nauha muodostuisi ohuista, epoksilla yhteen liimatuista langoista, ja langoissa yksittäisen nanoputken läpimitta olisi muutama nanometri. Nauha ratkaisee törmäysongelman: törmäys tekisi pienen vaurion, koska meteoriitti luovuttaisi ohueen nauhaan vain vähäisen osan liike-energiastaan.

Nauhan on myös oltava leveimmillään geosynkronisen radan korkeudella, koska se joutuu siellä kannattelemaan koko oman painonsa. Maanpintaa ja vastapainoa kohti nauha kapenee. Alle kymmenen kilometrin korkeudella nauha tehdään kapeammaksi ja paksummaksi, jotta se ei olisi altis myrskytuulille.

Nauhaa uhkaavat tuulten ja meteoriittien ohella muutkin luonnonilmiöt. Niitä ovat salamaniskut, maan magneettikentän aiheuttamat induktiovirrat, avaruussäteily ja auringon ultraviolettisäteily. Eräs vakava ongelma on ilmakehän yläosissa esiintyvä yksiatominen happi. Se on kemiallisesti erittäin aggressiivista, ja syövyttää nanoputkien hiiltä nopeasti, ellei nauhaa suojata sopivalla pinnoitteella.

Avaruushissin käytännössä mahdolliseksi rakentamistavaksi on ehdotettu menetelmää, jossa hissiä itseään hyödynnetään rakennustyössä. Työ aloitetaan rakentamalla aluksi hyvin kevyt hissi. Se ei pystyisi nostamaan avaruuteen varsinaisia hyötykuormia, mutta kylläkin kevyen konstruktiorobotin. Geosynkroniselle radalle lähetetään siis perinteisellä rakettitekniikalla satelliitti, johon sijoitettu ohuen kaapelin sisältävä kela painaisi noin 16 tonnia, lisäksi tarvittaisiin satelliitin muut laitteet, rakettimoottori rataoperaatioita varten ja polttoainetta, kaikkiaan yhteensä noin 20 tonnia. Tällaisen satelliitin laukaisu on mahdollista nykyisellä teknologilla.

Kun satelliitti on saatu paikalleen geosynkroniselle radalle, se alkaa purkaa kelaltaan hissikaapelia kohti maan pintaa. Kaapelin päässä on pieni paino ja paikannuslaitteet, joiden avulla kaapelin pää voidaan löytää, kun se saavuttaa maan pinnan. Sen jälkeen kaapelin pää ankkuroidaan maahan, ja satelliitti jatkaa kaapelin purkamista. Nyt satelliitti siirtyy ulommas avaruuteen ja muodostaa lopulta hissin vastapainon. Avaruushissin ensimmäinen vaihe on nyt valmis.

Seuraavaksi kaapeliin kiinnitetään maan pinnalla konstruktiorobotti, mukanaan kaapelikela seuraavaa vaihetta varten. Robotti kiipeää ylös kaapelia myöten ja liimaa samalla uutta kaapelia vahvistamaan hissin kaapelia. Robotti jää avaruuteen ja kiinnittyy vastapainon osaksi. Tämä operaatio toistetaan pari sataa kertaa, siihen kuluu aikaa useampi vuosi. Sen jälkeen hissi on riittävän vahva nostamaan avaruuteen varsinaisia hyötykuormia.

Tämä voi kuulostaa helpolta, mutta tarkemmin ajatellen se ei ole ollenkaan sitä. Konstruktiorobottien ja hyötykuormien tulee liikkua riittävän nopeasti, jotta rakentaminen ja operointi eivät veisi kohtuuttomasti aikaa. Hallittavissa olevaksi nopeudeksi on arvioitu noin 200 kilometriä tunnissa. Kuorman nostaminen ylös kaapelia pitkin vaatii luonnollisesti energiaa. Kuormaan ei voida kiinnittää moottoria polttoainesäiliöineen, se painaisi aivan liikaa. Sen sijaan energia siirretään maan pinnalta voimakkaalla tarkkaan suunnatulla lasersäteellä. Kun kuorma laskeutuu alas kaapelia pitkin, se joutuu puolestaan jarruttamaan. Jarrutusenergia joudutaan poistamaan säteilemällä se lämpönä tai muuna säteilynä, muuten kuorma sulaisi.

Avaruushissi on houkuttelevaa tekniikkaa, koska se mahdollistaa halvan ja ympäristöystävällisen pääsyn avaruuteen. Sen avulla voitaisiin kuljettaa tutkimuslaitteita, miehistöjä, ja satelliitteja ja avaruusaluksia erilaisille radoille. Hissiä myöten liikkuisi säännöllisesti myös huoltorobotteja, jotka tarkastaisivat kaapelia ja korjaisivat sen vaurioita. Ja hissiä voitaisiin käyttää myös uusien avaruushissien rakentamiseen. Avaruushissiä ei kannata ankkuroida maan pintaan, vaan merellä liikkuvaan lauttaan. Se helpottaisi hissin ohjausta rakennusvaiheessa, ja sen avulla seuraavaksi mahdillisesti rakennettava uusi hissi voitaisiin kuljettaa sinne, missä sitä halutaan käyttää.

Koen kertomuksen avaruushissin suunnittelusta samalla kertaa sekä äärimmäisen kiehtovaksi että lohduttavaksi. Ajatus hissistä on yksinkertainen, mutta kun sitä aletaan tutkia, sen pienet tekniset haasteet paisuvat toinen toistaan hankalammiksi osaongelmiksi. Ja lopulta hissin suunnittelija, jonka työtä olen edellä referoinut, Bradley C. Edwards (The Space Elevator, 2003) on kehittänyt niihin sekä yksinkertaisia että päätähuimaavan outoja ratkaisuja.

Ihmiskunnalla on edessään vaikeita ongelmia, eikä avaruushissi suinkaan ole vaikein. Ne ratkeavat, kun niiden kimppuun vain rohjetaan käydä. Olkaamme toiveikkaita.