Atlas V -kantoraketti irtosi maanpinnalta 26. marraskuuta vuonna 2011 Floridan Cape Canaveralista kyydissään harvinaisen mielenkiintoinen lasti. 6. elokuuta vuonna 2012, matkattuaan reilut kahdeksan kuukautta, Mars Science Laboratory laskeutui onnistuneesti naapuriplaneettamme Marsin pinnalle, ja tutkimusasemaan oleellisesti kuuluva Curiosity-kulkija aloitti suunnitelmien mukaan yhden Marsin vuoden (687 Maan vuorokautta) kestävän urakkansa.
Taiteilijan näkemys Curiositystä tutkimassa Marsia, kuva: Nasa
Miten tämä liittyy tähän blogiin? Varsin kiinteästi, Curiosity kun saa energiansa ydinreaktioista, tarkemmin ottaen plutonium-238:n (Pu-238) hajotessaan tuottamasta lämmöstä. Toisin toimi esimerkiksi Spirit, joka tutki Marsia vuodet 2004 – 2010 aurinkopaneelien voimin.
Radioaktiivisen ytimen hajotessa syntyvää lämpöä voidaan hyödyntää sähköntuotantoon niin sanotulla radioisotooppisella termosähkögeneraattorilla (RTG), joita onkin käytetty tutkimusmatkailun apuna jo vuodesta 1961 lähtien niin avaruudessa kuin kotiplaneetallamme. Mars-mönkijöiden lisäksi niitä on käytetty esim. avaruusaluksissa, satelliiteissa ja miehittämättömissä arktisten seutujen majakoissa. Käyttökohteille yhteistä on suhteellisen pieni energiankulutus, aurinkopaneeleille huonosti soveltuvat olosuhteet ja paristojen vaihdon vaikeus. Radioaktiiviseen hajoamiseen perustuvalla RTG:llä voidaan tuottaa joitain satoja watteja sähkötehoa, eli ei kovin paljon, mutta toisaalta Pu-238 tuottaa 23 vuoden päästä lämpöä yli 83 prosenttia alkuperäisestä tehostaan. Koko ajan ei siis tarvitse olla kiikuttamassa uusia Duracelleja kiertoradalle.
Cassini-luotaimen radioisotooppinen termosähkögeneraattori, kuva: Nasa
Raskaiden ydinten radioaktiivinen hajoaminen ei suinkaan ole ainoa ydinreaktio, jota ihminen on hyödyntänyt pyrkiessään kehittymään emoplaneettansa helmoista kohti aikuisempaa sivilisaatiota. Myös fissiolla on käyttöä avaruudessa. Atomeja voidaan halkoa lämpösähköisen ilmiön synnyttämiseksi kohteissa, joissa tehoa tarvitaan kertaluokkaa tai paria enemmän kuin isotooppipatterilla saadaan aikaiseksi. Esimerkiksi Neuvostoliiton meritiedustelusatelliitit (RORSAT) kantoivat mukanaan noin kahden kilowatin sähkötehoon kykeneviä nopeita reaktoreita. Pitkäikäisyydessään uraania käyttävät ratkaisut pistävät vielä paremmaksi plutoniumiin verrattuna. RORSATien reaktorit pystyivät teoriassa tuottamaan saman kahden kilowatin vakiotehon jopa 250 vuoden ajaksi.
Sähkön tuottaminen satojen vuosien ajaksi yhdellä tankkauksella on tietysti jännää ja kivaa jo itsessäänkin, mutta fissiota voidaan käyttää myös tuomaan avaruusraketteihin niiden kipeästi kaipaamaa potkua. Aiemmassa blogitekstissäni mainitsemani Projekti Orionin viitoittama polku on tietysti yksi konsti saada iso alus irti Maan kahleista, mutta ympäristöystävällisempiäkin tapoja on.
Motivaatio sotkea keskenään – joidenkin mielestä intuition vastaisesti – ydinvoima ja raketit tulee samasta faktasta kuin ydinvoiman houkuttelevuus maankamaran sähköntuotannon kannalta. Ydinpolttoaineen energiatiheys on yli miljoonakertainen kemiallisten rakettien polttoaineeseen nähden, joten hyötykuormaa saataisiin raketin kyytiin huomattavasti enemmän, kun polttoainetta ei tarvitsisi rahdata mukana niin paljon. Erilaisia teknologioita olisi useita, esimerkiksi fissiilistä materiaalista tehty “säteilypurje“, mutta jotta tämän blogitekstin pituus pysyisi jossain järjellisessä mitassa, kirjoitan nyt vain yhdestä ideasta: ydinsähkön käytöstä ionimoottorin voimanlähteenä.
Ionimoottoreiden idea ei ole uusi. Ensimmäiset maininnat sähköisesti varattujen hiukkasten käyttämisestä avaruusaluksen työntövoiman lähteenä löytyvät vuodelta 1906 Robert H. Goddardin muistiinpanoista. Pääperiaate ionimoottorin takana on suhteellisen yksinkertainen: varatut hiukkaset (esimerkiksi xenon, vety tai typpi) kiihdytetään sähkö- tai magneettikentässä suureen nopeuteen. Liikemäärän säilymisen perusteella moottori ja siihen kiinnitetty alus saavat yhtä suuren mutta vastakkaissuuntaisen liikemäärän kuin hiukkassuihkulla. Ionisuihkun kohtuullisen rivakka vauhti (suuruusluokassa kymmeniä kilometrejä sekunnissa) johtaa siihen, että huomattavasti massiivisempi alus saa myös ihan mukavan potkun takamukseensa. Ei tosin yhtä räjähdysmäistä kuin kemiallisilla raketeilla, ja siksi ionimoottorit soveltuvatkin vain sellaisten alusten kuljettamiseen, jotka ovat jo avaruudessa. Siihen ne sitten soveltuvatkin kuin nenä päähän.
NASA:n NEXIS ionimoottori, kuva: Nasa
Moottorityypillä ei siis saada alusta mitenkään erityisen rajusti liikkeelle, vaan ionimoottorin kantava ajatus on sillä saavutettavan (suhteellisen pienen) työntövoiman polttoainetehokkuudessa. Potentiaalisimmat ionimoottorikonseptit pystyvät noin 100 newtonin työntövoimaan, jolla saataisiin esim. 10 tonnin painoinen (tuorein Marsiin lähetetty pakkaus painoi hieman alle 4 tonnia) satelliitti tai muu tutkimushärveli tasaiseen 0,01 m/s2 kiihtyvyyteen. Kuulostaa mitättömältä, kunnes hoksaa esimerkiksi aiemmin mainitun reaktorin pystyvän tasaiseen tehontuottoon satojen vuosien ajan. Tasainen 0,01 m/s2 kiihtyvyys 250 vuoden ajan tarkoittaisi laitteellemme loppunopeutta, joka olisi noin neljäsosa valonnopeudesta. Samassa ajassa päästäisiin 33 valovuoden päähän lähtöpisteestä eli noin kaksi miljoonaa kertaa niin pitkälle kuin Maasta on matkaa Aurinkoon. Siis ilman suhteellisuusteorian vaikutuksen huomioimista, mutta nyt ei liikuta kirjoittajan päätoimisessa aihepiirissä – antakaa armoa. Tuolta etäisyydeltä löytyisi jo rutkasti kaikkea jännää, kuten lähimmät mahdollisesti elinkelpoiset eksoplaneetat.
Asiat eivät tietysti oikeasti ole näin yksinkertaisia. Esimerkiksi tuo yllä mainittu 100 N:n työntövoima saavutetaan nykyään vain hetkellisinä impulsseina, ei jatkuvana tuuppauksena. Ja 250 vuoden yksisuuntainen matka vaatisi joko todella massiivista alusta ja omavaraista siirtokuntaa (jolloin 100 N per moottori ei enää riitäkään yhtään mihinkään) tai vaikkapa kryoniikan merkittävää kehittymistä.
Blogin teeman mukaisesti täytyy muistuttaa, että me ydinpuolella oltaisiin jo teknisesti aika valmiita – ainakin teoriassa. Muilla aloilla olisi hieman kirittävää, mutta ehkä se on ihan ymmärrettävää – ydinfysiikka ei kuitenkaan ole mitään rakettitiedettä. Matkassa on monta mutkaa, mutta ainakin allekirjoittaneelle nuo luvut avaavat portin haaveilulle. Haaveilulle siitä, että ehkä vielä jokin päivä tajuamme oman pienuutemme maailmankaikkeuden mittakaavassa, ja voimme siirtää yhdessä ihmiskuntana huomiomme keskinäisestä kinastelusta johonkin kauaskantoisempaan. Toisaalta avaruustekniikan nykytilan toteaminen herättää siihen ajatukseen, että emme pääse tältä pallolta vielä pitkään aikaan muuallekaan asumaan, joten nykyisestä kodistamme kannattaisi pitää parempaa huolta.
“Mystery creates wonder and wonder is the basis of man’s desire to understand.”
– Neil Armstrong (5.8.1930–25.8.2012)
