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. Samalla 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.
Kuva: Rudolf Koivu.