Lokakuun 31. päivänä 1936 kuusi nuorta rakettipoikien lempinimellä kulkevaa puuhaajaa melkein poltti itsensä yrittäessään irrottautua Maan painovoimasta. Ryhmä oli kokoontunut rotkoon Kalifornian San Gabriel -vuoriston juurella testatakseen pientä alkoholipolttoaineella toimivaa suihkumoottoria. He halusivat todistaa, että rakettimoottoreilla voisi uskaltautua avaruuteen aikana, jolloin tällaisiin ajatuksiin suhtauduttiin yleisesti naureskellen. Tavoite kariutui, kun happijohto syttyi tuleen ja heittelehti villisti ympäriinsä liekkejä heittäen.
Rakettipoikien rohkeus herätti aerodynamisti Theodore von Karmanin huomion, joka oli jo työskennellyt kahden heistä kanssa Caltechissa. Hän perusti lähelle heidän tulisen onnettomuutensa paikkaa pienen koealueen, jossa Rakettipojat jatkoivat kokeitaan. Vuonna 1943 alueesta tuli Jet Propulsion Laboratory (JPL) ja von Karman sen ensimmäinen johtaja. JPL on sittemmin kasvanut rönsyileväksi NASA:n kenttäkeskukseksi, jossa on tuhansia työntekijöitä, mutta se on silti onnistunut säilyttämään perustamismotivaationsa: testaa tutkimusmatkailun rajoja, sopimuksista viis.
Vuosien varrella on saavutettu monia menestyksiä. 1970-luvun alussa JPL:n insinöörit rakensivat Pioneer 10:n, ensimmäisen avaruusaluksen, joka saavutti pakonopeuden aurinkokunnasta. Muutamaa vuotta myöhemmin he jatkoivat Voyager 1:llä ja 2:lla, jotka olivat nopeimmat monista tähtienväliseen avaruuteen tähtäävistä kohteista. Avaruusajan alusta Voyager-avaruusalusten laukaisuun – vain kahden vuosikymmenen aikana – rakettitutkijat yli kaksinkertaistivat lentonopeudet. Mutta sen jälkeisinä vuosikymmeninä vain yksi avaruusalus on seurannut Voyager-avaruusaluksia ulos aurinkokunnasta, eikä mikään ole tehnyt sitä yhtä suurella nopeudella. Nyt JPL:n rakettimiehet ovat taas levottomia ja suunnittelevat hiljaa seuraavaa suurta harppausta.
Uusien ponnistelujen yhtenäinen teema on, että aurinkokunta ei riitä. On aika uskaltautua tunnettujen planeettojen ulkopuolelle, kohti tähtiä. John Brophy, JPL:n lentoinsinööri, kehittää uutta moottoria, joka voisi nopeuttaa avaruusmatkailua vielä kymmenkertaisesti. Leon Alkalai, JPL:n tehtäväarkkitehti, suunnittelee kaukaista matkaa, joka alkaisi epätodennäköisellä, Ikaruksen kaltaisella syöksyllä kohti aurinkoa. Ja JPL:n tutkijalla Slava Turyshevilla on kenties kaikista villein idea, avaruusteleskooppi, joka voisi tarjota intiimin katsauksen kaukaiseen Maan kaltaiseen planeettaan – menemättä itse sinne.
Nämä kaikki ovat kaukaa haettuja suunnitelmia (Brophyn mukaan eivät täysin hulluja), mutta jos yksikin niistä onnistuu, seuraukset ovat valtavat. Rakettipojat ja heidän kaltaisensa auttoivat ihmistä kehittymään avaruutta käyttäväksi lajiksi. JPL:n nykyinen sukupolvi voi olla se, joka vie meidät tähtienväliseen avaruuteen.
Rakettireaktiot
Brophylle inspiraatiota antoi Breakthrough Starshot, edesmenneen Stephen Hawkingin ja venäläisen miljardöörin Juri Milnerin vuonna 2016 julkistama yltiöpäisen rohkea hanke. Hankkeen perimmäisenä tavoitteena on rakentaa kilometrin levyinen laserjoukko, joka voisi räjäyttää miniatyyriavaruusaluksen 20 prosentin valonnopeuteen, jolloin se voisi saavuttaa Alpha Centauri -tähtijärjestelmän (lähimmän tähtinaapurimme) vain kahdessa vuosikymmenessä.
Brophy oli skeptinen, mutta kiinnostunut. Kunnianhimoiset pyrkimykset eivät ole hänelle mitään uutta. ”JPL kannustaa ihmisiä ajattelemaan laatikon ulkopuolella, ja minun hullunkuriset ideani muuttuvat ajan myötä yhä hullummiksi”, hän sanoo. Jopa tämän standardin mukaan Starshot-konsepti vaikutti hänestä hieman liian kaukana teknologisesta todellisuudesta. Hän alkoi kuitenkin miettiä, voisiko hän ottaa saman konseptin mutta pienentää sitä niin, että se voisi olla toteutettavissa vielä meidän elinaikanamme.
Brophya kiehtoi erityisesti ajatus Starshot-tyylisen lasersäteen käyttämisestä ”rakettiyhtälön” ratkaisemisessa, joka kytkee avaruusaluksen liikkeen sen kuljettaman polttoaineen määrään. Rakettiyhtälö kohtaa julmalla logiikallaan jokaisen tulevan avaruusmatkailijan. Jos haluat mennä nopeammin, tarvitset enemmän polttoainetta, mutta enemmän polttoainetta lisää massaa. Enemmän massaa tarkoittaa, että tarvitaan vielä enemmän polttoainetta ylimääräisen painon kuljettamiseen. Polttoaine tekee kokonaisuudesta vielä raskaamman, ja niin edelleen. Siksi Voyagerin 1 800-kiloisten luotainten laukaisuun tarvittiin 1,4 miljoonaa kiloa painava raketti: Lähtöpaino koostui lähes kokonaan polttoaineesta.
1970-luvun lopun jatko-opiskeluajoista lähtien Brophy on kehittänyt huomattavasti tehokkaampaa rakettityyppiä, jota kutsutaan ionipropulsioksi. Ionimoottori käyttää sähkövoimaa ampuakseen positiivisesti varattuja atomeja (joita kutsutaan ioneiksi) ulos työntömoottorista suurella nopeudella. Jokainen atomi antaa vain pienen potkun, mutta yhdessä ne voivat työntää raketin paljon suurempaan nopeuteen kuin perinteinen kemiallinen raketti. Vielä parempaa on, että ionimoottorin tarvitsema teho voidaan saada aurinkopaneeleista – raskaita polttoainesäiliöitä tai generaattoreita ei tarvita. Puristamalla suuremmat nopeudet pienemmästä polttoaineen määrästä, ionimoottorit ovat pitkällä matkalla kohti rakettiyhtälön taltuttamista.
Ionimoottoreilla on kuitenkin omat haittapuolensa. Mitä kauemmas ne pääsevät auringosta, sitä rajoitetumpi on se, kuinka paljon sähköä aurinkopaneelit pystyvät tuottamaan. Paneeleista voi tehdä valtavia, mutta sitten niihin lisätään paljon painoa, ja rakettien yhtälö iskee taas päälle. Ja ionimoottoreilla on niin lempeä työntövoima, etteivät ne voi lähteä maasta omin voimin; avaruudessa niiden kiihdyttäminen ennätysnopeuteen kestää sitten kauan. Brophy tuntee nämä ongelmat hyvin: Hän oli mukana suunnittelemassa ionimoottoria NASAn Dawn-avaruusalukseen, joka sai juuri päätökseen 11-vuotisen tehtävänsä asteroidi Vesan ja kääpiöplaneetta Cereksen luokse. Vaikka Dawnilla oli huikeat 65 jalkaa aurinkokennoja, se eteni nollasta 60:een kiireettömässä neljässä päivässä.
Ionit palkinnoksi
Kun Brophy pohdiskeli tätä umpikujaa tehokkaiden moottoreiden ja riittämättömän aurinkoenergian välillä, tuli Breakthrough Starshot -konsepti, ja se sai hammaspyörät pyörimään hänen päässään. Hän pohti: Mitä jos auringonpaiste korvattaisiin avaruusalukseen suunnatulla voimakkaalla lasersäteellä? Tehokkaamman laserin avulla ionimoottori voisi toimia paljon tehokkaammin ja samalla säästää painoa, koska virtalähdettä ei tarvitsisi kuljettaa aluksella.
Kaksi vuotta oivalluksensa jälkeen Brophy esittelee minulle JPL:ssä sijaitsevaa maastoauton kokoista testikammiota, jossa hän testaa huipputehokasta ionimoottoria. Hänen prototyyppinsä käyttää litiumioneja, jotka ovat paljon kevyempiä kuin Dawnin käyttämät ksenoni-ionit ja tarvitsevat siksi vähemmän energiaa saavuttaakseen suuremman nopeuden. Se toimii myös 6 000 voltin jännitteellä verrattuna Dawnin 1 000 voltin jännitteeseen. ”Tämän vehkeen suorituskyky olisi hyvin hätkähdyttävä, jos sillä olisi laser virtaa”, hän sanoo.
Tässä on vain yksi pieni ongelma: Tuota laseria ei ole olemassa. Vaikka hän pienensi Starshot-konseptia rajusti, Brophy visioi edelleen 100 megawatin avaruuslaserjärjestelmää, joka tuottaa 1 000 kertaa enemmän tehoa kuin Kansainvälinen avaruusasema ja joka on suunnattu tarkasti nopeasti etääntyvään avaruusalukseen. ”Emme ole varmoja, miten se tehdään”, hän myöntää. Se olisi ylivoimaisesti suurin maailman ulkopuolinen insinöörityöprojekti, johon on koskaan ryhdytty. Kun se on kerran rakennettu, sitä voitaisiin kuitenkin käyttää yhä uudestaan ja uudestaan erilaisissa tehtävissä monikäyttöisenä rakettitehostimena.
Esimerkkinä Brophy kuvailee litium-ionivoimalla toimivaa avaruusalusta, jossa olisi 300 metrin korkuiset aurinkosähköpaneeleista koostuvat siivet, jotka antaisivat virtaa JPL:ssä kehitettävän moottorin täysikokoiselle versiolle. Laser kylvettäisi paneelit valossa, joka olisi sata kertaa kirkkaampi kuin auringonpaiste, ja pitäisi ionimoottorin käynnissä täältä Plutoon, noin neljän miljardin kilometrin päähän. Avaruusalus voisi sitten rullata eteenpäin huomattavalla nopeudellaan ja kulkea toiset neljä miljardia kilometriä vuoden tai kahden välein.
Tällaisella vauhdilla avaruusalus voisi nopeasti tutkia hämäriä alueita, joista komeetat tulevat, tai lähteä kohti vielä löytämätöntä Planeetta 9:ää tai mennä … melkein minne tahansa Aurinkokunnan lähiympäristössä.
”Aivan kuin meillä olisi tämä kiiltävä, uusi vasara, ja menen ympäriinsä etsimään uusia nauloja, jotka voin lyödä sisään”
Brophy unelmoi. ”Meillä on kokonainen pitkä lista tehtäviä, joita voisi tehdä, jos voisi mennä nopeasti.”
Tähtienvälisen väliaineen kaivo
Brophyn nerokkaan hilpeyden jälkeen on järkyttävää puhua Alkalain kanssa, joka vastaa JPL:n tekniikan ja tieteen osaston (Engineering and Science Directorate) uusien missioiden muotoilusta. Hän istuu suuressa, lasisessa toimistossaan ja vaikuttaa kaikin puolin järkähtämättömältä hallintovirkamieheltä, mutta hänkin on mies, jolla on tutkimusmatkailunäkemys.
Brophyn tavoin Alkalai on sitä mieltä, että Breakthrough Starshot -ryhmällä on oikea näkemys, mutta ei tarpeeksi kärsivällisyyttä. ”Emme ole teknisesti lähelläkään sitä, missä meidän pitäisi olla, jotta voisimme suunnitella tehtävän toiseen tähteen”, hän sanoo. ”Meidän on siis aloitettava pienin askelin.”
Alkalailla on mielessään eräs tietty askel. Vaikka emme voi vielä vierailla toisella tähdellä, voimme lähettää luotaimen ottamaan näytteitä tähtien välisestä väliaineesta, tähtien välissä virtaavasta harvasta kaasusta ja pölystä.
”Olen hyvin kiinnostunut ymmärtämään aurinkokunnan ulkopuolista materiaalia. Viime kädessä meidät on luotu siitä. Elämä syntyi noista alkukantaisista pölypilvistä”, Alkalai sanoo. ”Tiedämme, että siinä on orgaanista materiaalia, mutta millaista? Missä määrin? Onko siinä vesimolekyylejä? Se olisi valtava asia ymmärtää.”
Tähtienvälinen väliaine on edelleen huonosti tunnettu, koska emme pääse siihen käsiksi: Auringosta tuleva jatkuva hiukkaspurkaus – aurinkotuuli – työntää sitä kauas Maasta. Mutta jos pääsisimme auringon vaikutuksen ulkopuolelle, 20 miljardin kilometrin etäisyydelle (noin 200 kertaa Maan etäisyys auringosta), voisimme vihdoin tutkia ensimmäistä kertaa koskemattomia näytteitä kotigalaksistamme.
Alkalai haluaa vastauksia, ja hän haluaa nähdä tulokset omakohtaisesti. Hän on 60-vuotias, joten se asettaa aggressiivisen aikataulun – ei ole aikaa odottaa jättimäisiä avaruuslasereita. Sen sijaan hän ehdottaa yksinkertaisempaa, vaikkakin vielä todistamatonta teknologiaa, jota kutsutaan aurinkolämpöraketiksi. Se veisi mukanaan suuren kätkön kylmää nestemäistä vetyä, joka olisi jotenkin suojattu auringon kuumuudelta, ja sukeltaisi järkyttävästi noin miljoonan kilometrin päähän auringon pinnasta. Lähestyessään lähimmäksi raketti antaisi auringon voimakkaan lämmön virrata sisään, ehkäpä irrottamalla suojakilven. Auringon energia höyrystää vedyn nopeasti ja lähettää sen ulos raketin suuttimesta. Pakenevan vedyn ja auringon oman painovoiman yhdistetty työntövoima antaisi aluksen aloittaa tähtienvälisen matkansa jopa 160 kilometrin sekuntinopeudella, nopeammin kuin yksikään ihmiskappale tähän mennessä – ja siitä se vain nopeutuu.
”Se on hyvin haastavaa, mutta mallinnamme nyt fysiikkaa”, Alkalai sanoo. Hän toivoo voivansa aloittaa lämpörakettijärjestelmän osien testaamisen tänä vuonna ja kehittää sitten konseptinsa realistiseksi lennoksi, joka voitaisiin laukaista ensi vuosikymmenellä. Se saavuttaisi tähtienvälisen väliaineen vielä vuosikymmenen kuluttua siitä. Sen lisäksi, että tällainen luotain ottaisi näytteitä galaktisesta ympäristöstämme, se voisi tutkia, miten aurinko on vuorovaikutuksessa tähtienvälisen väliaineen kanssa, tutkia aurinkokunnan pölyn rakennetta ja kenties vierailla matkan varrella kaukaisella kääpiöplaneetalla.
Se olisi matka, Alkalai sanoo, ”jollaista emme ole tehneet aiemmin.”
Katso katse
Aurinkokunnan lämpöraketit ja laserionimoottorit, niin vaikuttavia kuin ne ovatkin, ovat edelleen järjettömän riittämättömiä ylittämään valtavaa kuilua aurinkokuntamme ja eksoplaneettojen – muita tähtiä kiertävien planeettojen – välillä. Rakettipoikien hengessä Turyshev ei anna absurdiuden pysäyttää itseään. Hän on kehittämässä ovelaa kiertotietä: virtuaalista tehtävää toiseen tähteen.
Turyshev kertoo haluavansa lähettää avaruusteleskoopin alueelle, joka tunnetaan nimellä Auringon gravitaatiolinssi (SGL). Alue alkaa pelottavan 50 miljardin kilometrin päässä, vaikka se on silti satoja kertoja lähempänä kuin lähimmät tähtinaapurimme. Kun päästään tarpeeksi kauas SGL:ään, tapahtuu jotain ihmeellistä. Kun katsot takaisin kohti Aurinkoa, kaikki suoraan sen takana olevat kohteet näyttävät venytetyiltä, muodostavat renkaan ja suurentuvat valtavasti. Tuo rengas on seurausta tähtemme voimakkaasta painovoimasta, joka vääristää avaruutta kuin linssi ja muuttaa kaukaisen kohteen valon ulkonäköä.
Jos sijoitut oikein SGL:n sisällä, auringon takaa suurennettu kohde voi olla kiehtova eksoplaneetta. SGL:ssä kelluva avaruusteleskooppi, selittää Turyshev, voisi sitten liikkua ympäriinsä, ottaa näytteitä valorenkaan eri osista ja rekonstruoida taivutetun valon pätkät megapikselin tilannekuviksi kyseisestä planeetasta.
Minun täytyy keskeyttää hänet tässä. Sanoiko hän megapikseliä, kuten kamerakännykän resoluutio? Kyllä, hän tosiaan puhuu 1 000 x 1 000 pikselin kokoisesta kuvasta, joka riittää näkemään alle 10 mailin levyisiä yksityiskohtia jopa 100 valovuoden (600 triljoonan mailin!) päässä olevalla planeetalla.
”Voisimme kurkistaa pilvien alle ja nähdä mantereita. Pystyimme näkemään säämalleja ja topografiaa, mikä on hyvin jännittävää”, Turyshev sanoo. Hän ei mainitse sitä, mutta ei tarvitsekaan:
Edellyttäen, että JPL:n neropatit pystyvät ratkaisemaan SGL:ään pääsemiseen liittyvät kuljetusongelmat, itse tehtävä on melko suoraviivainen, joskin valtavan haastava. Turyshevin ja hänen yhteistyökumppaneidensa (Alkalai heidän joukossaan) on kehitettävä Hubble-kokoinen avaruusteleskooppi,
tai pienempien teleskooppien minilaivue, joka kestää 30 vuoden matkan. Heidän on kehitettävä täydellinen tekoäly, joka kykenee toimimaan ilman kotoa tulevaa ohjausta. Ennen kaikkea ne tarvitsevat kohteen – planeetan, joka on niin kiehtova, että ihmiset ovat valmiita käyttämään vuosikymmeniä ja miljardeja dollareita sen tutkimiseen. NASA:n TESS-avaruusteleskooppi tekee parhaillaan tiedustelutyötä etsimällä Maan kokoisia maailmoja lähitähtien ympäriltä.
”Viime kädessä meidän on käytävä siellä, jotta voisimme nähdä elämää eksoplaneetalla. Mutta painovoimalinssien avulla voi tutkia potentiaalisia kohteita vuosikymmeniä, ellei jopa vuosisatoja aikaisemmin”, Turyshev sanoo iloisesti.
Matka SGL:ään veisi meidät Alkalain ensiaskeleita pidemmälle, pitkälle tielle kohti tähtienvälistä tutkimusta. Se on jälleen yksi rohkea tavoite, mutta ainakin todennäköisyys syttyä palamaan on tällä kertaa paljon pienempi.
Corey S. Powell, Discover-lehden päätoimittaja, kirjoittaa myös lehden Out There -blogiin. Seuraa häntä Twitterissä: @coreyspowell. Tämä juttu on alun perin ilmestynyt painettuna nimellä ”Boldly Go.”
