Kaikissa tieteiselokuvissa tähtienvälinen matka näyttää vaikuttavalta: avaruusalus käynnistää warp-moottorin, tähdet muuttuvat hohtaviksi viivoiksi, ja muutaman minuutin kuluttua miehistö jo juo kahvia toisessa galaksissa. Yleisesti katsotaan, että suurin ongelma tällaisissa matkoissa on energia. Että tarvitsee vain keksiä moottori, joka kykenee kiihdyttämään aluksen valon nopeuteen tai sitä nopeammin, ja ihmiskunta ryntää heti kolonisoidakseen avaruuden. Mutta insinöörit, toisin kuin käsikirjoittajat, tietävät: suurin vaara ei piile etäisyydessä, vaan siinä, mitä tähtien välillä on. Ja sen nimi on tähtienvälinen pöly.
Sisällysluettelo
Avaruus ei ole tyhjiö. Näkemätön vihollinen
Ensimmäinen asia, joka on ymmärrettävä: avaruus ei ole tyhjä. Kyllä, maapallon mittapuulla se on lähes täydellinen tyhjiö, mutta maailmankaikkeuden mittakaavassa se on täynnä niin sanottua tähtienvälistä ainetta. 99 % siitä on harvaa kaasua – pääasiassa yksittäisiä vety- ja heliumatomeja. Tiheys on naurettava – noin yksi atomi kuutiosenttimetriä kohti. Loput 1 % on kiinteitä hiukkasia: mikroskooppista pölyä, pieniä jää- ja silikaattikiteitä.
Kun avaruusalus Buran lensi kiertoradalla nopeudella 8 km/s, tämä ympäristö oli sille vain kevyt tuulenhenkäys. Mutta heti kun alamme puhua relativistisista nopeuksista (eli nopeuksista, jotka ovat niin suuria, että ne ovat verrattavissa valon nopeuteen), tilanne muuttuu radikaalisti. Jokainen vetyatomi ja jokainen pölyhiukkanen muuttuu mikroskooppiseksi ammuksiksi, joka lentää kohti alusta.
Hiekanjyvä, jolla on pommin energia. Fysiikan perusteet ”polvella”
Tässä tulee mukaan armoton fysiikka. Karkeaan arvioon emme tarvitse edes monimutkaisia relativistisia kaavoja, riittää koulussa opittu kineettinen energia E=1/2mv². Avaintekijä tässä on nopeuden neliö (v²). Tämä tarkoittaa, että kun nopeus kaksinkertaistuu, törmäyksen energia kasvaa nelinkertaiseksi. Ja kun puhumme valon nopeutta lähestyvistä nopeuksista, tämä riippuvuus muuttuu kriittiseksi.
Lasketaanpa yksinkertaisen esimerkin avulla. Oletetaan, että tulevaisuuden avaruusaluksemme lentää lähimpään tähteen, Proxima Centaurin, scifi-mittapuulla hyvin vaatimattomalla nopeudella – vain 10 % valon nopeudesta (eli noin 30 000 kilometriä sekunnissa). Ja sen tiellä on tavallinen hiekanjyvä, jonka massa on 1 gramma (0,001 kg). Syötetään kaavaan:
E = 0,5 * 0,001 kg * (30 000 000 m/s)² = 450 000 000 000 000 joulea.
450 biljoonaa joulea on abstrakti luku. Muunnamme sen ymmärrettävään vastaavuuteen. Yhden tonnin trotyylin räjähdysenergia on noin 4,2 miljardia joulea. Yksinkertainen jakolasku (450 biljoonaa / 4,2 miljardia) antaa tulokseksi noin 107 000 kilogrammaa eli 107 tonnia trotyyliä. Ajatelkaa: törmäys gramman painoiseen hiekanjyväseen nopeudella, jota fantasiakirjallisuudessa pidetään ”kilpikonnan vauvana”, vastaa aluksella räjähtävää ydinkärkeä, joka voi tuhota kokonaisen korttelin.
Mutta vaikka meillä olisi onnea eikä matkalla olisi yhtään hiekanjyvää, jää vielä vety. Nopeudella, joka on 20 % valon nopeudesta, törmäys yksittäisen protonin (vedyn atomin ytimen) kanssa vastaa iskua, jonka aiheuttaa hiukkanen suuresta hadronitörmäyttimestä. Aluksen runko joutuu jatkuvasti näiden mikroammusten pommituksen kohteeksi. Jokainen tällainen törmäys aiheuttaa sekundaarisen säteilyn kaskadin – gammasäteitä ja röntgensäteitä, jotka läpäisevät aluksen. Pohjimmiltaan alus lentää jatkuvan kovan säteilyn virran läpi, hitaasti mutta varmasti ”paistaen” miehistön ja elektroniikan.
Hollywoodin ”kilvet” vastaan tekninen todellisuus
Miksi elokuvissa (”Star Trek”, ”Star Wars”) avaruusalukset lentävät rauhallisesti valon nopeudella? Koska kyseessä on elokuva. Siellä on maaginen sana – ”deflektorikilpi”. Näkymätön voimakenttä, joka ratkaisee kaikki ongelmat. Todellisuudessa kaikki on paljon monimutkaisempaa.
Tämä ongelma on niin vakava, että siitä on tullut yksi suurimmista kompastuskivistä todelliselle tähtienvälisen lennon projektille – Breakthrough Starshot. Muistutan, että tämä on miljardööri Yuri Milnerin ja edesmenneen Stephen Hawkingin aloite, jonka puitteissa on tarkoitus lähettää Alfa Centauriin tuhansien pienten nanoprofiilien laivasto. Nämä postimerkin kokoiset ”purjeveneet” on tarkoitus kiihdyttää maasta voimakkaalla laserilla 20 %:n valon nopeuteen, ja yksi projektin insinöörien keskeisistä ongelmista ei ole niiden kiihdyttäminen, vaan se, miten saada edes yksi niistä perille ilman, että se haihtuu matkalla törmättyään pölyyn.
Kuinka selviytyä lennosta?
Koska meillä ei ole taikakilpiä, insinöörit harkitsevat täysin aineellisia, vaikkakin hyvin monimutkaisia suojauskonsepteja:
- Fyysinen kilpi: Ilmeisin ratkaisu. Mutta se ei ole pelkkä metallilevy. Toimivin konsepti on ”Whipple-kilpi”. Se on monikerroksinen ”kakku”, jonka ensimmäinen ohut kerros höyrystää mikrometeoriitin törmäyksessä muuttamalla sen plasmapilveksi. Seuraavat kerrokset hajottavat sitten tämän pilven energian. On ymmärrettävä, että tällainen järjestelmä toimii hyvin mikrohiukkasia vastaan, jotka liikkuvat kiertoradalla, ja juuri tällaisia kilpiä käytetään jo kansainvälisellä avaruusasemalla. Ongelmana on, että suojautuakseen vähintään yhden gramman painoiselta esineeltä, joka liikkuu relativistisella nopeudella, tällaisen kilven tulisi painaa tuhansia tonneja, mikä tekee siitä nostamattoman.
- Magneettinen tai sähköstaattinen kilpi: ideana on luoda aluksen ympärille voimakas kenttä, joka torjuu varatut hiukkaset – protonit ja heliumytimet – tähtienvälisestä kaasusta. Tämä voisi ratkaista säteilyn ongelman. Tällainen kilpi on kuitenkin käytännössä hyödytön neutraaleja pölyhiukkasia vastaan, jotka eivät reagoi magneettikenttään.
- ”Laserluuta”: yksi futuristisimmista ideoista. Ajatuksena on, että alukseen asennettu voimakas laser ”raivaa” tien sondin edessä höyrystämällä etukäteen kaikki sen lentoradalla olevat roskat.
Johtopäätös on yksinkertainen ja fantasiakirjailijoille masentava. Tähtienvälisten matkojen suurin ongelma ei ole siinä, miten rakentaa riittävän tehokas moottori, vaan siinä, miten selviytyä sen antamalla nopeudella. Avaruus ei olekaan tyhjä ja ystävällinen ympäristö, vaan aggressiivinen hioma-aine, joka jauhaa pölyksi kaikki liian nopeasti liikkuvat esineet.
Kunnes insinöörit löytävät tehokkaan ratkaisun ”avaruuspulverin” ongelmaan, kaikki puheet poimuajoista ja kaukaisten tähtien kolonisoinnista ovat kauniita ja erittäin kaukaisia toteutumasta. Ensin on opittava rakentamaan tähtienvälinen ”säiliö” ja vasta sitten mietittävä, miten siihen kiinnitetään ”raketti”.
