Avaruuskilpa: kaupallinen vaihe, tekninen umpikuja

Suurvaltojen kilpailu ”avaruuden valloittamisesta” lähti liikkeelle oikeastaan aika huomaamattomasti. Kysymyksessä oli kansainvälinen tiedehanke. Vuosi 1957 oli nimetty kansainväliseksi geofysiikan (eli maapallon tutkimisen) vuodeksi. Juhlavuoden kunniaksi suuret valtiot, USA, Englanti ja Neuvostoliitto ilmoittivat lähettävänsä maata kiertämään tutkimuslaitteita eli tekokuita. Julkinen sana ei juurikaan kiinnittänyt asiaan huomiota. Hanke ei kuitenkaan ollut mitenkään salainen. Rakettitekniikka ja avaruuslennon perusteet tunnettiin sinänsä hyvin, venäläinen kuuro opettaja Konstantin Tsiolkovski selvitti ne jo 1900–luvun alussa. Saksalainen Hermann Oberth julkaisi vuonna 1923 kansantajuisen tietokirjan, ja luonnosteli myös maata kiertävän miehitetyn avaruusaseman, Wohnrad, jossa keinotekoinen painovoima synnytettiin pyörimisliikkeen avulla (laite esiintyy Stanley Kubrikin elokuvassa Avaruusseikkailu 2001). Pienimuotoista tutkimus- ja kokeilutoimintaa tehtiin monissa maissa. Puolalaissyntyinen tiedemies Ary Sternfeld kirjoitti jo vuonna 1932 hämmentävän perinpohjaisen teoksen Initiation à la Cosmonautique (suomennettu vuonna 1958 nimellä Tekokuut ja avaruusalukset). Sodan aikana Natsi-Saksa kehitti rakettitekniikan käytännössä toimivalle tasolle (V2-ohjukset).

Kun sitten Neuvostoliitto ainoana maana lähetti vuonna 1957 avaruuteen Sputnik-1 satelliitin, kohu olikin yllättäen valtaisa. Neuvostopropaganda otti tietysti kaiken ilon irti tuosta tapauksesta, se politisoitui välittömästi. Erityisesti amerikkalaiset joutuivat paniikkiin. Heidän Vanguard-ohjelmansa takkuili, joten natseilta takavarikoitu V2- ohjus modifioitiin nimellä Jupiter-C tunnetuksi raketiksi, se vei piskuisen Explorer-1 satelliitin avaruuteen. Kun Neuvostoliitto vielä lisäsi etumatkaansa lähettämällä Juri Gagarinin avaruuteen, avaruustoiminnan luonne muuttui.

Presidentti Kennedy julistin haluavansa lähettää amerikkalaiset Kuuhun. Oli siirrytty ennakkoluulottomien kokeilijoiden ja nerokkaiden tiedemiesten sankariajasta raakaan kilpailuun. Amerikkalaiset avasivat rikkaan valtionsa anteliaan kassakirstun, vain raaka voima auttaisi, ja niinhän siinä kävikin. Avaruuskilpailu peitti alleen samanaikaisen ydinvarustelukilpailun – varmaan myös tarkoituksella. USA ja Neuvostoliitto valmistautuivat tuhoamaan toisensa massiivisilla ydiniskuilla, rakennettiin tuhansia järjettömän voimakkaita vetypommeja ja niiden kantajiksi ohjuksia (katso myös kirjoitukseni Oppenheimerista).

Oma nuoruuteni kului avaruuskilpailua seuratessa, se oli kuin pitkittynyt Formula-kisa sähläyksineen ja varikkokäynteineen. Näin jälkeenpäin on helppo huomata, että se oli loppujen lopuksi yllättävän nopeasti ohi. Vain noin kymmenessä vuodessa voittaja oli selvä. Kilpailun ratkaiseva tekijä oli teknologia: millaisella kalustolla kuuhun mentäisiin. 1960- luvun rakettiteknologia alkoi olla äärirajoilla. Kuuhun pääsemiseksi oli kaksi vaihtoehtoa. On rakennettava tavattoman voimakas kantoraketti. Ja sitä varten oli kehitettävä erittäin voimakas moottori. Amerikkalaiset valitsivat tämän vaihtoehdon. Moottoriteknologian venyttäminen uudelle tehoalueelle sisälsi valtavia riskejä. Jos se epäonnistuisi, peli olisi menetetty.

Neuvostoliiton asiantuntijat olivat vastaavassa tilanteessa. Vaihtoehtoinen lento-optio perustuisi useamman kantoraketin käyttöön. Miehistöalus ja kuualus lähetettäisiin eri raketeilla, ja telakoitaisiin yhteen avaruudessa. Neuvostoliitto oli jo onnistunut kehittämään kohtalaisen tehokkaita kantoraketteja, jotka osoittautuivat myös varsin luotettaviksi. Mutta ilmeisesti ratkaisu ei miellyttänyt poliitikkoja, siinä ei olisi tarpeeksi hohtoa. Siksi piti tehdä samaa kuin amerikkalaiset.

Neuvostoliiton jättiläismäisen kantoraketin työnimi oli N-1 (Nositel, eli nostaja). Se oli suunnilleen amerikkalaisen Saturnus-V raketin kokoinen. Mutta uutta tehokasta moottoria ei uskallettu kehittää. Siksi raketin ensimmäisen vaiheeseen asennettiin peräti 30 pienempää moottoria, kun amerikkalaisten Saturnus-raketissa moottoreita on viisi. N-1 raketilla tehtiin kaikkiaan neljä miehittämätöntä koelaukaisua, mutta kaikki epäonnistuivat, peli oli menetetty. Neuvostoliiton taktiikka oli nyt kiistää, että mitään kilpailua kuuhun olisi edes käyty. N-1-rakettia ei siis virallisesti ollut olemassa. Pateettisen tyhmä valhe, sillä amerikkalaiset vakoilusatelliitit olivat ottaneet siitä ja sen laukaisukentästä varsin tarkkoja kuvia. Toisaalta myös amerikkalaiset salasivat, että heillä oli kyky ottaa tällaisia kuvia.

On pohdittu, miksi Neuvostoliitto hävisi kilpailun Kuusta hyvästä etumatkasta huolimatta. Syyksi on esitetty huippuinsinööri Koroljevin menehtymistä syöpään hankkeen alkuvaiheessa. Ja paradoksaalisesti Neuvostoliitossa oli useita suunnittelutoimistoja, jotka kilpailivat hankkeesta ja vaikeuttivat päätöksentekoa. Tärkein syy lienee kuitenkin raha. Neuvostoliitto pystyi osoittamaan hankkeeseen vain pienen murto-osan resursseja verrattuna siihen, mitä amerikkalaiset kaatoivat Apollo-ohjelmaan. Byrokraattinen, hidas päätöksenteko, myöhästyminen alusta ja vakava aliresursointi ja kiire johtivat hutilointiin suunnittelussa ja tuotannossa. Vaikka raketin tekniikka oli konservatiivista, hanke kaatui laatuongelmiin.

Kun amerikkalaiset pääsivät Kuuhun, seurasi jonkinlainen neuvottomuuden tila. Loistelias Apollo-ohjelma keskeytettiin, Kuussa käytiin kaikkiaan kuusi kertaa, ja neljä jäljellä ollutta lentoa peruutettiin. Epäilemättä sieltä saatiin jonkin verran tutkimustietoa, mutta oliko se todella vaivan arvoista? Avaruuslennot olivat edelleen suunnattoman kalliita ja vaarallisia. Seuraava suuri hanke, STS eli avaruussukkula petti odotukset. Se ei ollut lainkaan halpa, eikä myöskään turvallinen. Sukkula oli myös tarkoitettu avaruuteen sijoitettujen asejärjestelmien huoltoon – mutta sellaisia ei tullutkaan (katso blogikirjoitus sukkulasta). Jouduttiin jopa nöyryyttävään tilanteeseen. Amerikkalaiset astronautit pääsivät kansainväliselle avaruusasemalle vain venäläisillä aluksilla. Ja Neuvostoliiton romahdettua myös venäläisten avaruusohjelma näivettyi.

Nyt, puoli vuosisataa ensimmäisestä kuulennosta, avaruuskilpailu näyttää taas aktivoituneen. Syynä saattaa olla Kiinan pyrkimys liittyä avaruusvaltoihin, ja ilmeisesti USA:ssa ajatellaan, että haasteeseen on taas vastattava. Mitään erityistä uutta hyötyä ei ole näkyvissä. Myös Mars on mainittu, se taas on suunnattoman kaukana, riskit ja kustannukset aivan toista luokkaa. Kilpailu on siis edelleen lähinnä poliittinen ja ideologinen. Ehkä koetaan, että katsomoon on vaihtunut uusi sukupolvi. Venäjä taas on pudottautunut pois vapaaehtoisesti, sen resurssit on suunnattu muualle, vanhan imperiumin lopulliseen tuhoamiseen.

Avaruuskilpa poikkeaa edellisestä ottelusta siten, että USA luottaa aiempaa enemmän yksityisen teollisuuden resursseihin. Teknologisesti ollaan edelleen samassa umpikujassa kuin 50 vuotta sitten, eli perinteinen rakettitekniikka ei ole ottanut laadullista harppausta. Uutta on lähinnä rakettikerosiinin eli RP-1 polttoaineen korvautuminen nesteytetyllä metaanilla, siitä saadaan tehokkuusetua. Hyvin poikkeava toimija näyttää olevan Elon Muskin luotsaama Space-X yhtiö. Sen tehokkain kantoraketti Super Heavy muistuttaa oudosti Neuvostoliiton epäonnistunutta N-1 rakettia. Sen sijaan, että kehitettäisiin hyvin voimakas rakettimoottori, käytetään useita pienempiä, mutta teknologialtaan vakaampia moottoreita. Super Heavyyn asennetaan suurimmassa versiossa kaikkiaan 27 Raptor- moottoria, kun N-1 raketissa moottoreita oli 30.

Avaruusinsinöörit ovat kyllä pitkään haaveilleet laadullisesta harppauksesta, joka tekisi avaruuslennoista samanlaista rutiinia kuin normaalista lentoliikenteestä. Aiemmin ideoitiin ydinkäyttöisiä avaruusaluksia, mutta monestakin syystä konsepti on hylätty. Nykyinen kehityssuunta on aika lailla selvä. Se on monikäyttöinen avaruuslentokone, jonka raketit käyttävät kiihdytysvaiheessa ilmakehän happea. Se olisi merkittävä suorituskyvyn lisä, sillä nykyisten rakettien polttoaieen painosta suurin osa on happea. Avaruuslentokone olisi yksivaiheinen, ja se vain tankattaisiin lentojen välillä.

Avaruuslentokoneen kehittäminen sisältää merkittäviä teknisiä haasteita, ja se tulisi varsin kalliiksi. Siksi yksityinen teollisuus ei sellaiseen halua investoida. Avaruussektorilla ei ole näköpiirissä sellaista kaupallista potentiaalia, että teollisuus ottaisi riskejä. USA:n avaruushallinnon johtama Venture Star- hanke keskeytettiin vuonna 2001, ja konseptia demonstroimaan kehitetty pienempi alus X-33 on ilmeisesti museoitu.

Euroopassa brittivetoinen avaruuslentokonetta kehittävää Skylon-hanke etenee edelleen, tosin melko niukalla rahoituksella. Sen ensimmäinen moottoriprototyyppi SABRE on kuitenkin päässyt testausvaiheeseen. Hanke saattaa saada synergistä tukea, sillä yhtiö kehittää myös hiilivapaata ilmailuteknologiaa. 

 

 

Lapset, matikkanerot?

Minulle opetettiin koulussa matematiikkaa perinteisellä tavalla. Ensin opeteltiin luettelemaan lukusanoja ja sitten harjoiteltiin peruslaskutoimituksia, yhteen- ja vähennyslaskua. Siitä ei edes käytetty vaikeaa sanaa matematiikka, meillä puhuttiin laskennosta. Tämä tapahtui siis vuonna 1957, Sputnikin vuonna. Minulla on asiasta vain hämärä muisto enkä tiedä tehosiko opetus, koska osasin jo laskea.

Kokonaan toisenlaista oli meno, kun vanhin lapseni meni kuluun 80-luvun alussa. Hänen ensimmäinen matematiikan oppikirjansa löi minut ällikällä. Matematiikan opetus alkoi joukko-opista, ja minun oli vaikea ymmärtää tehtäviä, joista alakoululaisen piti selviytyä. Tiesin toki, että matematiikan opetus oli uudistunut, ja joukko-oppi oli myös tuttua korkeakuluopinnoista. Tehtävät eivät olleet matemaattisesti vaikeita. Asia oli päinvastoin, pohdin pitkään, oliko tarkoitus pilkata oppilaita, vai oliko tehtävissä koira haudattuna. Koiraa ei kuitenkaan löytynyt, kysymys oli vain lasten ymmärryskyvyn karkeasta aliarvioimisesta. Ehkä oppikirjan tekijällä ei ollut omia lapsia. No kävi sitten niin, että kun nuoremmat lapseni menivät kouluun, joukko-oppi oli jo unohdettu ja matematiikan opetus oli taas raiteillaan. Mistä tässä matikkaseikkailussa oli oikein kysymys?

Vastaus on jo mainittu: syynä oli Sputnik. Kun Neuvostoliitto ampui Sputnik-I satelliitin avaruuteen syksyllä 1957, se aiheutti yhdysvalloissa niin sanotun sputnik-paniikin. Ajateltiin, että Neuvostoliiton sensaatiomainen menestys avaruussektorilla oli seurausta sikäläisistä ylivertaisista matematiikan taidoista, ja samalla amerikkalaisten lasten matematiikkataidot koettiin heikoiksi. Syntyi ajatus uudesta matematiikasta, joka kehittäisi lapsukaisten abstraktia ajattelua, ja matematiikan opetuksen pohjaksi otettiin abstraktiksi mielletty joukko-oppi. Suomeen uusi matematiikka ehti luontevasti samaan aikaan kuin meillä aloitettu peruskoulu-uudistus.

Uuden matematiikan oppimistulokset osoittautuivat kuitenkin heikoiksi. Lapset eivät oppineet joukko-oppia, mutta he eivät myöskään oppineet laskemaan. Uusi matematiikka haudattiinkin nopeasti 1980-luvulla. On historian ironiaa, että kaiken pahan alku ja juuri, Neuvostoliitto ei edes ottanut joukko-oppia matematiikan alkeisopetukseen. Legendaarinen matemaatikko Andrei Kolmogorov ei pitänyt ajatusta hyvänä. Opetuksesta kuitenkin poistettiin länsimaiden tapaan antiikkinen Eukleideen geometria, sitä modernisoitiin.

Viime aikoina olen pohtinut matematiikan salaisuutta neuropsykologian ja ihmisen evoluutiohistorian valossa. Ehkä vanhakantainen järjestys opetella matematiikkaa ei olekaan aivan perusteeton. Mitä matematiikka oikein on, ja miten on mahdollista, että ihmiselle on kehittynyt tällainen kyky? Eläimet eivät osaa matematiikkaa – vai osaavatko?

Aloitetaan aivan perustasta. Lukumäärien ymmärtäminen näyttää olevan kaiken perusta. Ihmisillä näyttää olevan aivoissaan jonkinlainen peruslaskukyky. Ja myös jotkut eläimet pystyvät siihen! Olkoon pöydällä kolme omenaa tai vadissa viisi viinirypälettä. Näemme niiden lukumäärän välittömästi yhdellä silmäyksellä, ei ole tarpeen ryhtyä laskemaan. Mutta kun kaadamme pöydälle korurallisen pähkinöitä, tuo kyky ehtyy, nyt on pakko laskea ne yksitellen. Kyky nähdä lukumäärä välittömästi yltää ihmisellä enintään tasolle viidestä seitsemään kohteeseen. On kiintoisaa, että tällainen lukumäärä vastaa ihmisen työmuistin kapasiteettia. Pystymme pitämään tietoisessa mielessämme enintään viidestä seitsemään asiaa samanaikaisesti. Työmuistilla tuntuu olevan joku yhteys välittömän lukumäärän aistimiseen. Kun tiesimme että vadissa on viisi viinirypälettä, ajattelimme varmaankin samalla tavalla kuin monet älykkäät eläimet, kuten apinat ja eräät linnut. Lukumäärän voi aistia suoraan, ilman laskemista. Esimerkiksi linnut tietävät, montako munaa pesään on munittava, ja apinat raivostuvat, jos niiden ulottuvilla olevista herkullisista hedelmistä kähvelletään salaa yksi.

Edellisessä pähkinäesimerkissä oli pakko alkaa laskea. Ja siinä välttämätön väline on ihmisen ainutlaatuinen kieli. Se alkaa tuottaa laskemisen vaiheita ja käyttää kielen työkaluja, kuten numeroita tarkoittavia lukusanoja. Tässä on raja, jonka yli eläimet eivät pääse. Niiden kieli ei tunne lukusanoja, koska nuo sanat viittaavat abstrakteihin käsitteisiin eli lukumääriin. Eläimet toki osaavat yhdistää sanat konkreettisiin esineisiin, kuten koiranomistajat hyvin tietävät. Mutta niillä sanojen laajempi ymmärtämisen kyky rajoittuu enintään tilanteisiin. Sana ”hihna” tarkoittaa koiralle, että pian lähdetään koiraa ulkoiluttamaan.

Pohditaanpa tarkemmin, mitä lukusanat oikein ovat. Jokainen lukusana tarkoittaa tiettyä lukumäärää. Meillä on siis tietty mielikuva, joka liittyy kuhunkin lukusanaan. Kun lapsi opettelee laskemaan, on tärkeää muistaa lukusanat ulkoa. Lisäksi lukusanoista pitää opetella niiden järjestys. Pitää muistaa, mikä on kunkin lukusanan edeltäjä ja mikä on sen seuraaja. Nyt ollaan jo aivan matematiikan perusasioiden eli niin sanottujen luonnollisten lukujen ominaisuuksien äärellä. Neuropsykologisesti on kiinnostavaa, että ihmisellä on mielessään kyky muodostaa ja kyky muistaa toisiaan seuraavien asioiden sarjoja. Tiedetään, että erityisesti pikkuaivot kontrolloivat tällaisia sekvenssejä. Niiden tehtävänä on ohjata ihmisen motorisia toimintoja, ja nehän koostuvat peräkkäin tapahtuvien liikkeen osien sarjoista. Ja laskeminen peräkkäisiä lukusanoja toistamalla on juuri sitä. Huomaamme, että matematiikka on jännittävällä tavalla kytköksissä ihmisen motoriikkaan. (Pitää lisätä, että kyseessä on ilmeisesti aivojen yleisempi ominaisuus; jos ihmisen pikkuaivot vahingoittuvat tai ne joudutaan poistamaan, aivot vähitellen kompensoivat motoriikan menetyksen).

On selvää, että luonnollisia lukuja on äärettömästi. Onneksi lukusanoja ei kuitenkaan tarvitse opetella suuria määriä. Tässä tulee peliin ihmisen toinen henkinen kyky. Ihminen pystyy muodostamaan mielessään abstrakteja ryhmiä. Osaamme siis muodostaa myös peruslukusanoista ryhmiä. Apuna on aikanaan olleet sormet, ja siksi ryhmittelemme lukusanat kymmenen (tai joissain kielissä myös kahdenkymmenen) lukusanan ryhmiksi. Eli muodostamme kymmenien ryhmiä, satojen ryhmiä ja niin edelleen. Sanomme esimerkiksi kolmekymmentäviisi, emmekä tarvitse siihen kolmeakymmentäviittä erilaista lukusanaa. Näin voimme rakentaa uusia lukusanoja vaikka kuinka suurille luvuille. Ja yllätys, tässä tulikin vihdoin joukko-oppi peliin. Emme kuitenkaan tarvitse joukko-oppia oppiaksemme laskemaan, vaan laskeminen havainnollistaa meille joukko-oppia. Tätä ihmisen kykyä tunnistaa ryhmiä eli joukkoja sanotaan hahmontunnistukseksi, se on myös eräs hermoston perusominaisuuksia. Se on oikeastaan koko ihmisen abstraktin ajattelukyvyn perusta. Sillä hahmot eivät ole aistispesifisiä, ne ovat abstrakteja eli riippumattomia konkreettisesta maailmasta. Aivot tekevät abstraktioita kaikesta mahdollisesta: visuaalisista hahmoista, kuulohavainnoista ja ennen kaikkea myös toisista hahmoista.

Aivot tekevät näin myös lukuja tarkoittaville joukoille. Nekin ovat abstrakteja, lukujahan ei oikeastaan ole edes olemassa. Tästä tosin filosofisesti suuntautuneet matemaatikot tai matemaattisesti suuntautuneet filosofit väittelevät. Ovatko luvut olemassa, ja onko matematiikka olemassa? Tai ovatko ne todellisia? Tähän pragmaatikot toteavat, että niin tai näin, ne ovat ainakin hyödyllisiä!

Kun olemme oppuneet tunnistamaan ja ilmaisemaan lukumääriä, seuravassa vaiheessa aletaan opetella peruslaskutoimituksia. Se tarkoittaa oikeastaan vain lukusanojen kuvaamien joukkojen uudelleen järjestelyä. Kuulostaa näin ilmaistuna monimutkaiselta, mutta kuten kokemuksesta tiedämme, sen oppii varsin helposti harjoittelemalla.

Laskento ei siis olekaan niin tylsää ja yksinkertaista kuin joskus ajatellaan. Se on ovi abstraktin ajattelun maailmaan. Matematiikan ihanuudet eivät rajoitu kokonaislukuihin. Pian ihmiskunnan historiassa opittiin laskemaan myös murtoluvuilla ja reaaliluvuilla – ja laskemaan opettelevat lapset sukeltavat aikanaan myös tähän uuteen maailmaan. Ja sekin on hyvin luonnollista, havainnollista ja jännittävää. En nyt aio selostaa näitä matematiikan alueita, koska olen jo laatinut niistä blogikirjoituksen, jonka kiinnostuneet voivat lukea.

Aikanaan uuden matematiikan suunnittelijat pudottivat geometrian pois koulujen opetusohjelmasta, jotta saataisiin tilaa joukko-opille. Se on tavallaan vahinko. Vuona 300 eaa. aleksandrialainen matemaatikko Eukleides kirjoitti geometrian kokonaisesityksen Alkeet (Stoikheia, latinaksi Elementa). Sitä käytettiin lähes sellaisenaan koulujen matematiikan oppikirjana vielä 1900-luvun alkupuolellalla. Geometria opettaa loogista ajattelua, ja sen erityinen ansio on, että sen katsotaan opettavan tieteellistä ajattelua. Eukleideen geometrian idea on, että siinä on joukko aksiomeja eli perusoletuksia, joita ei määritellä. Intuitiivisesti aksiomeista voidaan muodostaa lauseita, eli eräänlaisia väitteitä. Geometriassa opetellaan muodostamaan ja todistamaan tällaisia lauseita, eli vahvistamaan, oliko lauseen perustana oleva intuitio oikea. Tosin myöhemmät matemaatikot ovat riistäneet Eukleideen geometrialta osan sen glooriasta. Aksiomeja on siinä aivan liikaa, ja ne ovat osin ristiriitaisia ja epäselviä. Tiukasti ottaen Eukleideen geometria vuotaa kuin seula.

Silti geometria havainnollistaa hyvin tieteellistä ajattelua. Sen tulisi perustua yksinkertaisiin oletuksiin ja ajatukseen väittämien todistamisesta tai ainakin perustelemisesta. Ajattelulle on muunkinlaisia malleja, kuten logiikka ja ohjelmointi. Nekin on tuotu kouluopetukseen, ja hyvä niin. Sinne pitäisi lisätä myös aikanaan koulussa opetettu keskustelutaito eli retoriikka ja väittelytaito eli dialektiikka. Järkevä ja tehokas ajattelu kun ei kuulu ainoastaan tieteeseen, se on kansalaistaito, ja yhtä lailla hyödyllistä arkipäiväisessä elämässä