Kaikkia rakettikonsepteja rajoittaa rakettien yhtälö, joka asettaa käytettävissä olevan ominaisnopeuden pakokaasunopeuden ja massasuhteen funktiona, alkuperäisen (M0, polttoaine mukaan lukien) ja lopullisen (M1, polttoaine tyhjennettynä) massan välillä. Tärkein seuraus on, että nopeudet, jotka ovat yli muutaman kerran suuremmat kuin rakettimoottorin pakokaasun nopeus (ajoneuvoon nähden), muuttuvat nopeasti epäkäytännöllisiksi.

Ydinlämpö- ja aurinkolämpöraketitEdit

Ydinlämpö- tai aurinkolämpöraketissa työstöliuos, tavallisesti vety, kuumennetaan korkeaan lämpötilaan, minkä jälkeen työstöliuos paisuu raketin suuttimen läpi työntövoiman tuottamiseksi. Energia korvaa perinteisen rakettimoottorin reaktiivisten kemikaalien kemiallisen energian. Vedyn pienen molekyylimassan ja siten suuren lämpönopeuden ansiosta nämä moottorit ovat vähintään kaksi kertaa polttoainetehokkaampia kuin kemialliset moottorit, vaikka reaktorin paino otetaan huomioon.

Yhdysvaltojen atomienergiakomissio ja NASA testasivat muutamia malleja vuosina 1959-1968. NASA:n mallit suunniteltiin Saturn V -kantoraketin ylempien vaiheiden korvaajiksi, mutta testeissä ilmeni luotettavuusongelmia, jotka johtuivat pääasiassa tärinästä ja kuumenemisesta, kun moottoreita käytettiin niin suurella työntövoimalla. Poliittisten ja ympäristöön liittyvien näkökohtien vuoksi on epätodennäköistä, että tällaista moottoria käytettäisiin lähitulevaisuudessa, koska lämpöydinraketit olisivat käyttökelpoisimpia Maan pinnalla tai sen läheisyydessä, ja toimintahäiriön seuraukset voisivat olla katastrofaaliset. Fissioon perustuvat lämpörakettikonseptit tuottavat alhaisemmat pakokaasunopeudet kuin jäljempänä kuvatut sähkö- ja plasmakonseptit, joten ne eivät ole yhtä houkuttelevia ratkaisuja. Suurta työntövoiman ja painon suhdetta vaativissa sovelluksissa, kuten planeetalta pakenemisessa, ydinlämpöraketti on potentiaalisesti houkuttelevampi.

Sähköinen työntövoima Muokkaa

Sähköiset työntövoimajärjestelmät käyttävät ulkoista voimanlähdettä, kuten ydinreaktoria tai aurinkokennoja, sähköenergian tuottamiseen, jolla kiihdytetään kemiallisen inertin polttoaineen nopeus huomattavasti suuremmaksi kuin kemiallisessa raketissa. Tällaiset moottorit tuottavat heikon työntövoiman, joten ne eivät sovellu nopeisiin manöövereihin tai laukaisuun planeetan pinnalta. Ne ovat kuitenkin niin säästeliäitä reaktiomassan käytössä, että ne voivat jatkaa ampumista yhtäjaksoisesti päiviä tai viikkoja, kun taas kemialliset raketit kuluttavat reaktiomassaa niin nopeasti, että ne voivat ampua vain sekunteja tai minuutteja. Jopa matka Kuuhun on tarpeeksi pitkä, jotta sähköinen työntövoimajärjestelmä päihittäisi kemiallisen raketin – Apollolennot kestivät kolme päivää kumpaankin suuntaan.

NASA:n Deep Space One -aluksessa testattiin menestyksekkäästi ionivoimansiirron prototyyppiä, joka toimi kaikkiaan 678 päivää, ja sen avulla luotain ajoi komeetta Borrellyn alas, mikä kemiallisella raketilla ei olisi onnistunut. Dawn, ensimmäinen NASA:n operatiivinen (eli muu kuin teknologian demonstraatio) avaruuslento, joka käytti ionimoottoria pääasiallisena käyttövoimanlähteenään, kiersi menestyksekkäästi suurten päävyöhykeasteroidien 1 Ceresin ja 4 Vestan kiertoradalla. Kunnianhimoisempi, ydinkäyttöinen versio oli tarkoitettu Jupiter-lennolle ilman miehistöä, Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), joka oli alun perin suunniteltu laukaistavaksi joskus ensi vuosikymmenellä. Koska NASA:n painopistealueet muuttuivat ja suosivat miehitettyjä avaruuslentoja, hanke menetti rahoituksensa vuonna 2005. Samankaltaisesta operaatiosta keskustellaan parhaillaan Yhdysvaltain osuutena NASA:n ja ESA:n yhteisessä Europa- ja Ganymede-ohjelmien tutkimusohjelmassa.

Johnsonin avaruuslentokeskuksen johtama NASA:n monikeskuksinen teknologiasovellusten arviointiryhmä (Technology Applications Assessment Team) on tammikuussa 2011 kuvaillut konseptitutkimusta Nautilus-X:stä, joka käsittelee monitehtäväistä avaruustutkimusajoneuvoa, joka on hyödyllinen alhaisen Maan kiertoradan ulkopuolisiin operaatioihin, joiden kesto on enintään 24 kuukautta ja joihin osallistuu jopa kuuden hengen miehistö. Vaikka Nautilus-X voidaan mukauttaa erilaisiin tehtäväkohtaisiin työntövoimayksiköihin, jotka ovat erilaisia pienen työntövoiman ja suuren ominaisimpulssin (Isp) malleja, havainnollistamistarkoituksessa on esitetty ionisähköinen ydinkäyttö. Se on tarkoitettu integroitavaksi ja testattavaksi kansainvälisellä avaruusasemalla (ISS), ja se soveltuisi ISS:ltä Kuuhun ja sen ulkopuolelle suuntautuviin syväavaruuslentoihin, mukaan luettuina Maa/Kuu L1, Aurinko/Maa L2, maanläheiset asteroidi- ja Marsin kiertoratakohteet. Se sisältää pienennetyn painovoiman sentrifugin, joka tarjoaa keinotekoisen painovoiman miehistön terveydelle ja lieventää pitkäaikaisen 0g-altistumisen vaikutuksia, sekä kyvyn lieventää avaruussäteily-ympäristöä.

Fissiokäyttöiset raketitEdit

Jo lennetyissä tai suunnitelluissa sähköisillä käyttövoimilla varustetuissa avaruuslentolähetyksissä on käytetty aurinkosähkövoimaa, mikä on rajoittanut niiden kykyä operoida kaukana Auringon läheisyydessä ja rajoittanut niiden huippukiihtyvyyttä sähköenergian teholähteen massan vuoksi. Ydinsähkö- tai plasmamoottorit, jotka toimivat pitkiä aikoja pienellä työntövoimalla ja jotka saavat käyttövoimansa fissioreaktoreista, voivat saavuttaa nopeuksia, jotka ovat paljon suurempia kuin kemiallisella polttoaineella toimivat ajoneuvot.

FuusioraketitTiedosto

Fuusioraketit, jotka saavat käyttövoimansa ydinfuusioreaktioista, ”polttaisivat” sellaisia kevyitä alkuainepolttoaineita kuin deuteriumia, tritiumia tai 3He:tä. Koska fuusio tuottaa noin 1 % ydinpolttoaineen massasta vapautuvana energiana, se on energeettisesti edullisempi kuin fissio, jossa vapautuu vain noin 0,1 % polttoaineen massaenergiasta. Sekä fissio- että fuusiotekniikalla voidaan kuitenkin periaatteessa saavuttaa nopeuksia, jotka ovat paljon suurempia kuin Aurinkokunnan tutkimiseen tarvitaan, ja fuusioenergia odottaa yhä käytännön demonstrointia Maassa.

Yksi fuusiorakettia käyttäväksi ehdotukseksi on ehdotettu projektia Daedalus. NASA:n Glenn-tutkimuskeskuksen ryhmä on kuvannut toisen melko yksityiskohtaisen, miehitettyä Aurinkokunnan tutkimista varten suunnitellun ja optimoidun ajoneuvojärjestelmän, ”Discovery II:n”, joka perustuu D3He-reaktioon, mutta käyttää reaktiomassana vetyä. Se saavuttaa ominaisnopeuden >300 km/s kiihtyvyydellä ~1,7-10-3 g, aluksen alkumassan ollessa ~1700 tonnia ja hyötykuorman osuuden ollessa yli 10 %.

Eksoottiset käyttövoimat Muokkaa

Avaruusalusten käyttövoimat -artikkelissa keskustellaan useista muista teknologioista, jotka keskipitkällä ja pitkällä tähtäimellä saattaisivat muodostaa perustan planetaarisille avaruuslennoille. Toisin kuin tähtienvälisten matkojen kohdalla, nopeiden planeettojenvälisten matkojen esteet liittyvät pikemminkin tekniikkaan ja talouteen kuin mihinkään perusfysiikkaan.

AurinkopurjeetEdit

Aurinkopurjeet perustuvat siihen, että pinnasta heijastuva valo aiheuttaa pintaan painetta. Säteilypaine on pieni ja pienenee etäisyyden neliöllä auringosta, mutta toisin kuin raketit, aurinkopurjeet eivät vaadi polttoainetta. Vaikka työntövoima on pieni, se jatkuu niin kauan kuin aurinko paistaa ja purje on käytössä.

Alkuperäinen konsepti luotti vain auringon säteilyyn – esimerkiksi Arthur C. Clarken vuonna 1965 julkaistussa tarinassa ”Sunjammer”. Viimeaikaisemmissa kevytpurjeen suunnitelmissa ehdotetaan työntövoiman lisäämistä suuntaamalla purjeeseen maasta käsin lasereita tai masereita. Maanpäälliset laserit tai maserit voivat myös auttaa kevytpurjealusta hidastumaan: purje jakautuu ulko- ja sisäosaan, ulko-osaa työnnetään eteenpäin ja sen muotoa muutetaan mekaanisesti heijastuneen säteilyn keskittämiseksi sisäosaan, ja sisäosaan keskitetty säteily toimii jarruna.

Vaikka suurin osa valopurjeista kertovista artikkeleista keskittyy tähtienväliseen matkustamiseen, on esitetty useita ehdotuksia niiden käytöstä Aurinkokunnan sisällä.

Tällä hetkellä ainoa avaruusalus, joka käyttää aurinkopurjetta pääasiallisena käyttövoimana, on JAXA:n 21. toukokuuta 2010 laukaisema IKAROS. Se on sittemmin otettu onnistuneesti käyttöön, ja sen on osoitettu tuottavan kiihtyvyyttä odotetulla tavalla. Monet tavalliset avaruusalukset ja satelliitit käyttävät myös aurinkokeräimiä, lämpötilan säätöpaneeleita ja aurinkovarjoja valopurjeina tehdäkseen pieniä korjauksia asentoonsa ja kiertorataansa ilman polttoainetta. Muutamilla on ollut jopa pieniä, tätä tarkoitusta varten rakennettuja aurinkopurjeita (esimerkiksi EADS Astriumin rakentamat Eurostar E3000 -geostationaariset tietoliikennesatelliitit).

SykleritEdit

On mahdollista asettaa asemia tai avaruusaluksia kiertoradoille, jotka kiertävät eri planeettojen välillä, esimerkiksi Mars-sykleri kiertäisi synkronoidusti Marsin ja Maan välillä käyttäen hyvin vähän polttoainetta lentoradan ylläpitämiseen. Syklerit ovat konseptuaalisesti hyvä ajatus, koska massiiviset säteilysuojat, elämää ylläpitävät laitteet ja muut varusteet tarvitsee laittaa sykleriradalle vain kerran. Syklerillä voisi olla useita tehtäviä: elinympäristö (se voisi esimerkiksi pyöriä tuottaakseen ”keinotekoisen painovoiman” vaikutuksen), emoalus (joka tarjoaisi elintukea pienempien avaruusalusten miehistöille, jotka nousisivat sen kyytiin). Syklereistä voisi myös mahdollisesti tulla erinomaisia rahtialuksia siirtokunnan täydennystoimituksia varten.

AvaruushissiEdit

Avaruushissi on teoreettinen rakenne, joka kuljettaisi materiaalia planeetan pinnalta kiertoradalle. Ajatuksena on, että kun hissin rakentamisen kallis urakka on valmis, voidaan minimaalisilla kustannuksilla kuljettaa määrittelemätön määrä kuormia kiertoradalle. Yksinkertaisimmillakin suunnitelmilla vältetään pinnalta laukaistavien rakettien noidankehä, jossa viimeisen 10 prosentin matkan kulkemiseen kiertoradalle tarvittava polttoaine on nostettava koko matkan pinnalta, jolloin tarvitaan vielä enemmän polttoainetta, ja niin edelleen. Kehittyneemmät avaruushissisuunnitelmat vähentävät energiakustannuksia matkaa kohti käyttämällä vastapainoja, ja kunnianhimoisimmissa suunnitelmissa pyritään tasapainottamaan ylös- ja alaspäin kulkevat kuormat ja siten saamaan energiakustannukset lähelle nollaa. Avaruushisseihin on joskus viitattu myös nimillä ”pavunvarret”, ”avaruussillat”, ”avaruushissit”, ”avaruustikkaat” ja ”kiertoratatornit”.

Avaruushissin rakentaminen maanpäälle on nykyteknologiamme ulottumattomissa, vaikkakin kuun avaruushissi voitaisiin teoriassa rakentaa nykyisistä materiaaleista.

SkyhookMuokkaa