Tulevaisuuden avaruusalukset rakennetaan käyttäen edistyksellisiä materiaaleja, joilla on mielettömiä ominaisuuksia.
Kuuntele tämä juttu suoratoistona, ladattavana tiedostona tai hae apua.
Syyskuu 16, 2002: ”Etsin oikeastaan”, sanot myyjälle, ”autoa, joka kulkee vähintään 10 000 mailia tankkausten välillä, korjaa itsensä automaattisesti, kulkee nopeudella 500 mailia tunnissa ja painaa vain muutama sata kiloa”.”
Kun hän seisoo siinä silmät suurina, lisäät: ”Ai niin, ja voin käyttää vain noin neljänneksen siitä, mitä nämä muut autot maksavat.”
dramaattisesti parannetut avaruusalukset olisivat mahdollisia.
Tämmöinen pyyntö saa sinut varmasti nauramaan ulos uuden auton parkkipaikalta. Mutta monella tapaa tämä unelma-auto on vertauskuva avaruusajoneuvoista, joita tarvitsemme laajentaaksemme aurinkokunnan tutkimista tulevina vuosikymmeninä. Näiden uusien avaruusalusten on oltava yhtä aikaa nopeampia, kevyempiä, halvempia, luotettavampia, kestävämpiä ja monipuolisempia.
Mahdotonta? Ennen kuin vastaat, mieti, miten 200 vuoden takainen karjankasvattaja olisi saattanut reagoida, jos mies olisi pyytänyt ostamaan hevosen, joka pystyisi juoksemaan 100 mailia tunnissa tuntikausia, kuljettamaan hänen koko perheensä kaikkine matkatavaroineen ja laulamaan hänelle koko ajan hänen lempilaulujaan! Nykyään kutsumme niitä minibusseiksi.
Teknologian vallankumoukset – kuten teollinen vallankumous, joka korvasi hevoset autoilla – voivat tehdä siitä, mikä tänään näyttää mahdottomalta, arkipäiväistä huomenna.
Tällainen vallankumous tapahtuu juuri nyt. Kolme nykypäivän nopeimmin kasvavaa tieteenalaa – biotekniikka, nanotekniikka ja tietotekniikka – lähentyvät toisiaan antaakseen tiedemiehille ennennäkemättömän mahdollisuuden hallita materiaa molekyylitasolla. Tästä älyllisestä kullanhuuhdonnasta syntyy uusi luokka materiaaleja, joilla on hämmästyttäviä ominaisuuksia, jotka kuulostavat kotoisammilta tieteisromaanissa kuin laboratorion työpöydällä.
Kuvitelkaa esimerkiksi aine, jonka lujuus on sata kertaa suurempi kuin teräksen, mutta vain 1/6 sen painosta; materiaalit, jotka parantavat itse itsensä välittömästi, kun niitä lävistetään; pinnat, jotka pystyvät ”aistimaan” niitä painavat voimat; johdot ja elektroniikka, joka on yhtä pientä kuin molekyylit; rakennemateriaalit, jotka myös tuottavat ja varastoivat sähköä, ja nesteet, jotka pystyvät halutessanne siirtymään välittömästi kiinteäksi aineeksi ja sitten taas takaisin. Kaikkia näitä materiaaleja on jo olemassa … ja lisää on tulossa.
Kun käytettävissä on tällaisia mielettömiä materiaaleja, paremman avaruusaluksen rakentaminen ei alkaakaan tuntua kovin kaukaiselta ajatukselta.
Paino on yhtä kuin raha
Neuvoivan sukupolven avaruusaluksen haaste riippuu muutamasta tärkeimmästä kysymyksestä. Ensimmäinen ja tärkein on tietenkin kustannukset.
”Vaikka kaikki tekniset esteet ratkaistaisiin tänään, aurinkokuntamme tutkimisen on silti oltava kohtuuhintaista, jotta se olisi käytännöllistä”, sanoo tohtori Neville Marzwell, NASAn seuraavan vuosikymmenen suunnitteluryhmän (Next Decadal Planning Team) vallankumouksellisesta avaruusteknologiasta vastaava johtaja.
Avaruuslentojen kustannusten alentaminen tarkoittaa ensisijaisesti painon vähentämistä. Jokainen karsittu kilo on kilo, joka ei tarvitse työntövoimaa paetakseen Maan painovoimasta. Kevyemmissä avaruusaluksissa voi olla pienemmät ja tehokkaammat moottorit ja vähemmän polttoainetta. Tämä puolestaan säästää enemmän painoa, jolloin syntyy hyödyllinen painonsäästöjen ja kustannusten alenemisen kierre.
Oikein: Tämä täyteen lastattu Saturn V -kuuraketti painoi 6,2 miljoonaa kiloa. Se oli raskas ja kallis laukaista.
Haasteena on karsia painoa ja samalla lisätä turvallisuutta, luotettavuutta ja toimivuutta. Pelkkä osien pois jättäminen ei riitä.
Tutkijat tutkivat erilaisia uusia teknologioita, jotka voisivat auttaa avaruusaluksia laihduttamaan. Esimerkiksi harsomateriaaleja – jotka ovat erittäin ohuita kalvoja – voitaisiin käyttää antenneissa tai aurinkosähköpaneeleissa nykyisin käytettävien järeämpien komponenttien sijasta tai jopa valtaviin aurinkopurjeisiin, jotka tuottavat työntövoimaa ja joiden massa on vain 4-6 grammaa neliömetrillä.
Komposiittimateriaalit, kuten ne, joita käytetään hiilikuidusta valmistetuissa tennismailoissa ja golfmailoissa, ovat jo auttaneet vähentämään painoa avaruusalan malleissa tinkimättä kuitenkaan lujuudesta. Mutta uusi hiilen muoto, jota kutsutaan ”hiilinanoputkeksi”, lupaa dramaattista parannusta komposiitteihin: Parhaiden komposiittien lujuus on kolme- tai nelinkertainen teräkseen verrattuna – nanoputkien lujuus on 600-kertainen!
”Tämä ilmiömäinen lujuus johtuu nanoputkien molekyylirakenteesta”, selittää Dennis Bushnell, johtava tutkija Langley Research Centerissä (LaRC), joka on NASAn rakenteiden ja materiaalien huippuosaamiskeskus. Ne muistuttavat hieman sylinteriksi rullattua kanalankaa, ja hiiliatomit istuvat jokaisen kuusikulmion kulmissa.
Tyypillisesti nanoputket ovat halkaisijaltaan noin 1,2-1,4 nanometriä (nanometri on metrin miljardisosa), mikä on vain noin 10 kertaa itse hiiliatomien säde.
Yllä: Hiilinanoputken hiiliatomien ristikko on kuin kiinnitystaulu, johon voidaan ripustaa muunlaisia atomeja ja molekyylejä, jotka antavat nanoputkelle erityisiä kemiallisia, sähköisiä tai lämpöominaisuuksia. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Pennsylvania State Universityn fysiikan laitos.
Nanoputket löydettiin vasta vuonna 1991, mutta jo nyt tiedeyhteisön voimakas kiinnostus on edistänyt kykyämme luoda ja käyttää nanoputkia valtavasti. Vain 2-3 vuotta sitten pisimmät tehdyt nanoputket olivat noin 1000 nanometrin (1 mikronin) pituisia. Nykyään tutkijat pystyvät kasvattamaan jopa 200 miljoonan nanometrin (20 cm) pituisia putkia. Bushnell toteaa, että ainakin 56 laboratoriota ympäri maailmaa työskentelee näiden pikkuruisten putkien massatuotannon parissa.
”Suuria edistysaskeleita tehdään, joten massamateriaalien valmistaminen nanoputkista tulee todennäköisesti tapahtumaan”, Bushnell sanoo. ”Se, mitä emme tiedä, on se, kuinka paljon tästä 600 kertaa teräksen painoa vahvemmasta materiaalista ilmenee bulkkimateriaalissa.” ”Se, mitä emme tiedä, on se, kuinka paljon tästä 600 kertaa teräksen painoa vahvemmasta materiaalista ilmenee bulkkimateriaalissa. Nanoputket ovat silti paras mahdollisuutemme.”
Oikein: Hiilinanoputkien vetolujuus ylittää huomattavasti muiden lujien materiaalien vetolujuuden. Huomaa, että jokainen lisäys pystyakselilla on 10:n potenssi.
Perusteellisen lujuuden lisäksi nanoputket ovat todennäköisesti tärkeitä avaruusalusten painonpudotussuunnitelman toisessa osassa: materiaaleissa, jotka voivat palvella useampaa kuin vain yhtä tehtävää.
”Ennen rakensimme rakenteita, jotka olivat vain tyhmiä, kuollutta painoa kannattelevia kannattimia aktiivisille osille, kuten antureille, prosessoreille ja instrumenteille”, Marzwell kertoo. ”Nyt emme tarvitse sitä. Pidike voi olla kiinteä, aktiivinen osa järjestelmää.”
Kuvittele, että avaruusaluksen runko voisi myös varastoida virtaa, jolloin raskaita akkuja ei tarvittaisi. Tai että pinnat voisivat taipua itsestään, jolloin erillisistä toimilaitteista päästäisiin eroon. Tai että virtapiirit voitaisiin upottaa suoraan avaruusaluksen runkoon. Kun materiaaleja voidaan suunnitella molekyylitasolla, tällaiset kokonaisvaltaiset rakenteet tulevat mahdollisiksi.
Avaruusalusten nahat
Ihminen voi tuntea pienimmänkin nipistyksen missä tahansa kohtaa kehoaan. Se on hämmästyttävää itsevalvontaa — mahdollista, koska iho sisältää miljoonia mikroskooppisen pieniä hermopäätteitä sekä hermoja, jotka kuljettavat nämä signaalit aivoihin.
Tavalla tavalla avaruusaluksen kriittisiä järjestelmiä muodostavat materiaalit voitaisiin upottaa nanometrin mittakaavan antureilla, jotka tarkkailevat jatkuvasti materiaalien kuntoa. Jos jokin osa alkaa pettää – eli ”tuntuu pahalta” – nämä anturit voisivat varoittaa keskustietokonetta ennen kuin tragedia tapahtuu.
Molekyyliset johdot voisivat kuljettaa kaikkien näiden sisäänkudottujen antureiden signaalit keskustietokoneeseen, jolloin vältettäisiin epäkäytännöllinen miljoonien ja taas miljoonien nykyisten johtojen massa. Jälleen kerran nanoputket voivat toimia tässä roolissa. Kätevää on, että nanoputket voivat toimia joko johtimina tai puolijohteina riippuen siitä, miten ne on valmistettu. Tutkijat ovat tehneet molekyylilankoja muista pitkänomaisista molekyyleistä, joista jotkut jopa luonnostaan kasaantuvat käyttökelpoisiksi konfiguraatioiksi.
Vasemmalla: Tämä NASA:n Langleyn tutkimuskeskuksessa (LaRC) kehitetty pietsosähköinen materiaali ”aistii” muodonmuutokset, kuten taivutuksen tai pintapaineen, tuottaen vasteena pienen sähköjännitteen, joka voi toimia merkkinä keskustietokoneelle. Kuva NASA:n LaRC:n Morphing-projektissa.
Ihosi pystyy myös parantamaan itsensä. Usko tai älä, jotkut kehittyneet materiaalit voivat tehdä saman. Ionomereiksi kutsutuista pitkäketjuisista molekyyleistä valmistetut itseparantuvat materiaalit reagoivat tunkeutuvaan esineeseen, kuten luodin, sulkeutumalla sen taakse. Avaruusalukset voisivat käyttää tällaisia nahkoja, koska avaruus on täynnä pieniä ammuksia – komeettojen ja asteroidien nopeasti liikkuvia roskia. Jos jokin näistä hiekan tai kiven kokoisista kappaleista puhkaisee aluksen panssarin, kerros itsestään paranevaa materiaalia pitäisi hytin ilmatiiviinä.
Meteoriitit eivät ole ainoa vaara; avaruus on täynnä myös säteilyä. Avaruusaluksia matalalla Maan kiertoradalla suojaa merkittävästi planeettamme magneettikenttä, joka muodostaa noin 50 000 km leveän turvallisen kuplan keskeltä Maata. Tämän etäisyyden ulkopuolella avaruusmatkailijoita uhkaavat kuitenkin auringonpurkaukset ja kosmiset säteet.
Oikein: Auringonpurkaus räjäyttää energeettistä säteilyä avaruuteen.
Tutkijat etsivät yhä hyvää ratkaisua. Temppuna on saada aikaan riittävä suojaus ilman, että avaruusalukseen lisätään paljon ylimääräistä painoa. Joitakin kevyitä säteilysuojamateriaaleja testataan parhaillaan (MISSE) -nimisessä kokeessa kansainvälisellä avaruusasemalla. Mutta ne eivät yksinään riitä.
Todellinen pahis on galaktinen kosminen säteily (GCR), jota syntyy kaukaisissa supernovaräjähdyksissä. Se koostuu osittain erittäin raskaista positiivisista ioneista – kuten rauta-ytimistä – jotka sinkoilevat eteenpäin suurella nopeudella. Suuren massan ja suuren nopeuden yhdistelmä tekee näistä pienistä atomien ”tykkipalloista” erittäin tuhoisia. Kun ne tunkeutuvat ihmisen kehon solujen läpi, ne voivat hajottaa DNA:n, mikä johtaa sairauksiin ja jopa syöpään.
”On käynyt ilmi, että huonoimmat materiaalit, joita voi käyttää suojaamaan GCR:ltä, ovat metallit”, Bushnell toteaa. Kun galaktinen koominen säde osuu metalliatomiin, se voi pirstoa atomin ytimen – prosessi, joka muistuttaa ydinvoimaloissa tapahtuvaa fissiota. Näiden törmäysten tuottama sekundaarisäteily voi olla pahempaa kuin GCR, jota metallin oli tarkoitus suojata.
Ironisesti kevyet alkuaineet, kuten vety ja helium, ovat paras puolustus näitä GCR-robotteja vastaan, koska törmäykset niiden kanssa tuottavat vähän sekundaarisäteilyä. Jotkut ovat ehdottaneet aluksen asuintilojen ympäröimistä nestemäisen vedyn säiliöllä. Bushnellin mukaan 50-100 cm:n paksuinen kerros nestemäistä vetyä tarjoaisi riittävän suojan. Mutta säiliö ja kryogeeninen järjestelmä on todennäköisesti raskas ja hankala.
Tässäkin nanoputkista voisi olla hyötyä. Hiilinanoputkista koostuva ristikko voi varastoida vetyä suurilla tiheyksillä ja ilman äärimmäistä kylmyyttä. Jos siis tulevaisuuden avaruusaluksissamme käytetään jo nyt nanoputkia ultrakevyinä rakennemateriaaleina, voisiko näitä putkia ladata myös vedyllä säteilysuojaksi? Tutkijat tutkivat tätä mahdollisuutta.
Vasemmalla: Kun korkeaenergiset kosmiset säteet törmäävät astronauttien DNA:han, se voi aiheuttaa vaurioita, jotka johtavat syöpiin tai muihin säteilyn aiheuttamiin sairauksiin. Kuvat ovat NASA:n biologisen ja fysikaalisen tutkimuksen toimiston (Office of Biological and Physical Research) suosittelemia.
Mennään vielä askeleen pidemmälle: tämän rakennemateriaalin kerroksiin voitaisiin lisätä muiden alkuaineiden atomeja, jotka ovat hyviä suodattamaan muita säteilyn muotoja: booria ja litiumia käsittelemään neutroneita ja alumiinia imemään elektroneja.
Kosmoksen leiriytyminen
Maa on enimmäkseen turvassa kosmiselta säteilyltä, mutta muut planeetat eivät ole yhtä onnellisia. Esimerkiksi Marsilla ei ole vahvaa globaalia magneettikenttää, joka poikkeuttaisi säteilyhiukkasia, ja sen ilmakehän peitto on 140 kertaa ohuempi kuin Maan. Näiden kahden eron vuoksi Marsin pinnalla säteilyannos on noin kolmanneksen suurempi kuin suojaamattomassa avaruudessa. Tulevat Marsin tutkimusmatkailijat tarvitsevat säteilysuojia.
”Emme voi ottaa mukaan suurinta osaa materiaaleista pitkäaikaista suojaa varten painon vuoksi. Niinpä yksi asia, jonka parissa työskentelemme, on se, miten voimme valmistaa säteilysuojamateriaaleja siellä olevista elementeistä”, sanoo Sheila Thibeault, LaRC:n säteilysuojiin erikoistunut tutkija.
Oikea: Marsiin leiriytyvät astronautit tarvitsevat suojaa avaruuden säteilyltä. Kuvan luotto: Frassanito and Associates, Inc.
Yksi mahdollinen ratkaisu on ”Marsin tiilet”. Thibeault selittää: ”Astronautit voisivat valmistaa säteilynkestäviä tiiliä Marsissa paikallisesti saatavilla olevista materiaaleista ja käyttää niitä suojien rakentamiseen.” He voisivat esimerkiksi yhdistää Marsin pintaa peittävän hiekankaltaisen ”regoliitin” ja polymeerin, joka valmistetaan paikan päällä hiilidioksidista ja vedestä, joita molempia on runsaasti punaisella planeetalla. Tätä seosta mikroaalloilla napsauttamalla saadaan aikaan muovin näköisiä tiiliä, jotka toimivat hyvänä säteilysuojana.
”Mikroaaltoja käyttämällä voimme valmistaa näitä tiiliä nopeasti ja hyvin pienellä energiankulutuksella tai pienillä laitteilla”, hän selittää. ”Ja käyttämämme polymeeri lisää regoliitin säteilysuojausominaisuuksia.”
Marsin suojissa tarvittaisiin itsetunnistavien materiaalien luotettavuutta, itsestään paranevien materiaalien kestävyyttä ja monikäyttöisten materiaalien painonsäästöjä. Toisin sanoen talo Marsissa ja hyvä avaruusalus tarvitsevat monia samoja asioita. Tutkijat pohtivat näitä kaikkia, Thibeault sanoo.
Kansalaiset kotona
Mielettömistä edistyksellisistä materiaaleista on hyötyä myös Maassa.
”NASA:n tutkimus keskittyy ilman muuta avaruusajoneuvoihin”, huomauttaa NASA:n Morphing-projektin (edistyksellisten materiaalien tutkimuspyrkimys Langleyn tutkimuskeskuksessa) johtaja Anna McGowan. ”Perustutkimusta voitaisiin kuitenkin käyttää monilla muillakin aloilla. Siitä voi olla miljoonia hyötyjä.”
Vasemmalla: Älykkäistä materiaaleista valmistetuissa tulevaisuuden lentokoneissa voisi olla itsestään taipuvat siivet, jotka toimivat ilman siivekkeitä – mikä vähentäisi ilmanvastusta ja alentaisi polttoainekustannuksia.
Mutta ei vielä. Useimmista kehittyneistä materiaaleista puuttuu teknistä hienostuneisuutta, jota tarvitaan kiillotetun, vankan tuotteen aikaansaamiseksi. Ne eivät ole vielä valmiita. Tutkijoiden mukaan se on kuitenkin vain ajan kysymys: Lopulta automyyjä lakkaa nauramasta … ja alkaa myydä avaruusajan unelmakoneesi.
Web Linkit
Buck Rogers, varo! — Science@NASA:n artikkeli: NASA:n tutkijat tutkivat hyönteisiä ja lintuja ja käyttävät ”älykkäitä” materiaaleja, joilla on kummallisia ominaisuuksia, kehitelläkseen uusia ja mielettömiä lentokonemalleja.
Tulevaisuuden näytteitä — Science@NASA artikkeli: Tulevaisuuden edistykselliset avaruusalukset valmistetaan kaukaisista materiaaleista, jotka kestävät poikkeuksellisen hyvin avaruuden ankaraa ympäristöä. Materials International Space Station Experiment (MISSE) pyrkii selvittämään, mitkä materiaalit toimivat parhaiten.
Oikein: Nousevan auringon taustalla MISSE työntyy avaruuteen Kansainvälisen avaruusaseman ulkopuolella.
Kaivautuminen ja suojautuminen — Science@NASA-artikkeli: Kuun ja Marsin maa-aines voisi tarjota säteilysuojaa miehistöille tulevissa tehtävissä. Katso myös ”Making Mars Bricks.”
Center for Nanotechnology (CNT) — NASA:n Ames Research Centerissä.
Needs of future missions — CNT:n listaus tulevaisuuden avaruustutkimuksessa tarvittavista teknologioista ja joistakin mahdollisista ratkaisuista.
Nanoputkilinkit: Nanoputket & Buckyballs (Nanotechnology Now); Carbon nanotubes (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Tutkimus molekyylielektroniikassa: IBM:n nanomittakaavainen transistori; yksinkertainen logiikkaportti nanolangoista; räätälöitävissä oleva nanoputki johtoja tai rakenteita varten Purduen yliopistosta.
Avaruussäätä Marsissa — Science@NASA:n artikkeli: Tulevat Marsin tutkimusmatkailijat voivat jättää sateenvarjonsa Maahan, mutta ehkä heidän ei kannata unohtaa Geiger-laskuriaan! Punaiselle planeetalle matkalla oleva NASA:n koe pyrkii selvittämään tämän.
Vastaa