Viime lauantaina Texasissa pidettiin omalaatuinen tiedotustilaisuus: SpaceX-yhtiön perustaja ja johtaja Elon Musk esitteli kunnianhimoista suunnitelmaansa Marsin asuttamisesta. Hänen takanaan komeili kiiltävän metallinen avaruusalus, joka oli kuin suoraan 1950-luvun tieteistarinoista.

Myös Muskin puheet olivat varsin utopistisia: Avaruusalus Starship voisi lentää Kuuhun ja Marsiin mukanaan jopa sata ihmistä. Nykyisiin raketteihin verrattuna se pystyisi viemään valtavia kuormia Maan ympärille, ja toiselle puolelle maapalloa olisi mahdollista lentää muutamassa vartissa. Uudelleenkäytettävät alukset voisivat nousta matkaan jopa kolme tai neljä kertaa vuorokaudessa.

Eikä tässä vielä kaikki! Texasissa tekeillä oleva alus voisi nousta ensimmäisille koelennoilleen jo parin kuukauden kuluessa. Aluksen toinen koekappale, jota rakennetaan Floridassa, lähtisi avaruuteen ensi vuonna. Marsiin voitaisiin lentää vuonna 2021, ja ensimmäinen turistikeikka Kuun ympäri on jo sovittu vuodelle 2023.

Starship on 50 metriä pitkä ja yhdeksän metriä paksu avaruusalus, jonka nokassa on tilaa jopa sadalle ihmiselle tai suurikokoisille avaruuteen vietäville kappaleille. Se voi kuljettaa ylös jopa 150 tonnia ja tuoda takaisin Maahan noin 50 tonnin kuorman. Piirroskuva Starship-aluksesta. Kuva: SpaceX

Samana vuonna on tarkoitus tehdä ensimmäinen miehitetty lento Kuun ympäri Nasan uudella Orion-aluksella. Sitä on suunniteltu ja tehty kohta kahden vuosikymmenen ajan.

Orion ja sen eurooppalaisvalmisteinen huolto-osa laukaistaisiin matkaan kertakäyttöisellä raketilla, ja lentoja voitaisiin tehdä noin kerran vuodessa. Starship taas voisi suihkia Kuuhun ja takaisin vaikkapa viikon välein, ja Orion huolto-osineen mahtuisi aluksen rahtiruumaan vaivatta.

Mitä Starshipistä siis pitäisi ajatella? Onko kyseessä taas yksi Muskin ruohopäissään heittämä outo idea?

Idea Marsin asuttamisesta ja sinne vievästä raketista esiteltiin 2016

Musk on tullut tunnetuksi paitsi Tesla-sähköautoistaan ja SpaceX-avaruusyhtiöstään, myös monenlaisista profeetanomaisista puheistaan, Twitter-vitseistään ja puolivakavista höpötyksistään. Hän on kommentoinut tekoälyn vaarallisuutta, pohtinut ihmiskunnan tulevaisuutta, ratkonut Los Angelesin liikenneruuhkia, visioinut Marsin pommittamista ydinaseilla asumiskelpoiseksi ja kaupitellut huvin vuoksi liekinheittimiä.

Ensimmäisen kerran Starship tuli esiin vuonna 2016, kun Musk piti esityksen Kansainvälisen astronauttisen unionin vuositapaamisessa. Hän näytti komeita piirroskuvia Marsin siirtokunnasta ja jättimäisestä raketista, jolla voitaisiin kuljettaa suuria määriä ihmisiä punaisen planeetan pinnalle.

Muskin mukaan on tärkeää, että ihmiskunta siirtyy asumaan muuallekin. Se on ainoa tapa säilyttää ihminen, jos maapallolle tapahtuu jotain.

Marsin asuttaminen on selvästi edelleen hänen johtoajatuksensa, mutta liikemiehenä ja avaruusyrittäjänä Musk näkee uudelle raketille muutakin käyttöä. Kun pääsy avaruuteen tulisi helpommaksi ja edullisemmaksi, avaruuden käyttäminen ottaisi suuren askeleen eteenpäin. Muskin avaruusyhtiö SpaceX:n nykyiset Falcon 9 -raketit voitaisiin korvata tällä suuremmalla aluksella.

Alkuperäinen Starship-kuva vuodelta 2017 (jolloin sillä ei ollut vielä nimeä Starship) näyttää miten aluksen nokassa voi olla suuri rahtiruuma, jonka sisällä avaruuteen voidaan viedä suurikokoisiakin ja massiivisia kappaleita. Esimerkiksi uusien avaruusasemien kokoaminen tai kuuaseman rakentaminen kävisi näillä helposti, samoin yhdellä kerralla voitaisiin viedä avaruuteen paljon satelliitteja. Aluksen perässä ovat viuhkamaiset aurinkopaneelit. Alkuperäinen Starship-kuva vuodelta 2017. Kuva: SpaceX

Kuvat raketista ovat muuttuneet koko ajan, mutta selvästi siten, että hanketta on viety konkreettisesti eteenpäin. Viimeisin hahmotelma esiteltiin noin vuosi sitten, ja nyt ollaan jo siinä pisteessä, että ensimmäisiä koealuksia ollaan rakentamassa.

Tähtialuksesta tehdään ensin useita koekoneita

Muskin viimelauantaisen puheen taustalla oli avaruusalus Starshipin ensimmäinen prototyyppi. Se on varsin karkeatekoinen laite, jonka tarkoitus on testata aluksen muotoa ja systeemeitä lennoilla, jotka nousevat "vain" noin 20 kilometrin korkeuteen.

Nämä ihan lähikuukausina alkavat pomppauslennot ovat tärkeitä ennen kaikkea siksi, että alus laskeutuu alas pystysuoraan rakettimoottoriensa hidastamana samaan tapaan kuin Falcon 9:n ensimmäiset vaiheet.

Lennoilla testataankin, miten homma onnistuu suuremmalla ja paksummalla laitteella, jonka voimanlähteinä ovat uudenlaiset metaania käyttävät Raptor-moottorit.

Starshipin ensimmäinen koeversio on vielä varsin karkeatekoinen, koska sen ei täydy olla hienosti viimeistelty. Jos laite tuhoutuu testeissä, ei vahinko ole suuri. Starshipin koko tulee hyvin ilmi kun katsoo sen vieressä olevia ihmisiä. Starship-aluksen ensimmäinen koeversio. Kuva: SpaceX

Koska aikanaan alusten kyytiin laitetaan myös ihmisiä, on moottorien luotettavuus nyt erityisen tärkeää. Jos laskeutuminen pystysuoraan ei onnistu turvallisesti, on hanke pahassa pulassa.

Nämä ensimmäiset lennot tehdään SpaceX:n Texasin eteläosassa sijaitsevalla koealueella, Meksikonlahden rannalla Boca Chicassa. Siellä pidettiin myös viime viikonlopun tiedotustilaisuus.

Samaan aikaan Floridassa, lähellä Cape Canaveralia olevalla alueella, tehdään toista testiversiota Starshipistä. Siihen tulee myös lämpösuojakerros aluksen toiselle puolelle ja kaikki avaruuslentoon vaadittavat laitteet, mutta ei esimerkiksi matkustamoa.

Tällä aluksella tehdään lentoja korkeammalle, virallisesti jopa avaruuden puolelle, ja testataan ennen kaikkea aluksen käyttäytymistä ilmakehään saapumisen aikaan ja laskeutumista sen jälkeen. Nämä lennot on tarkoitus aloittaa jo ensi vuoden alussa.

Tämänhetkisen suunnitelman seuraava koekone, numero kolmonen, tehdään Texasissa. Sen valmistaminen alkaa marraskuussa ja tekemisessä otetaan huomioon koelennoilla saadut tulokset.

Neljäs prototyyppi tehdään Floridassa, ja tuolla versiolla tehtäisiin kenties jo ensi vuonna ensimmäinen lento kiertoradalle. Laukaisu tehtäisiin SpaceX:n käytössä olevalta Kennedyn avaruuskeskuksen laukaisualustalta 39A, jota ollaan jo varustamassa uusien rakettienkin käyttöön.

Musk mainitsi tilaisuudessaan myös viidennen prototyypin, joka kenties olisi jo ensimmäinen miehitettyihin lentoihin sopiva – siis lopullisen kaltainen alus.

Starship ja Super Heavy verrattuna nykyisiin Falcon 9 -raketteihin, kuuraketti Saturnus V:een sekä suomalaisten tuntemiin Näsinneulaan ja Olympiastadionin torniin. Starship ja Super Heavy korkeusvertailussa. Se tulee toisena Näsinneulan jälkeen. Kuva: SpaceX ja Yle, kuvankäsittely Jari Mäkinen

Aluksen olemukseen saattaa tulla koelentojen perusteella siis vielä muutoksia. Tällä hetkellä alus on ruostumattomasta teräksestä tehty, 50 metriä pitkä ja yhdeksän metriä halkaisijaltaan oleva terävänokkainen putkilo, jonka alaosassa on kaksi liikkuvaa siipimäistä vakaajaa ja kuusi laskeutumisjalkaa. Nokassa on myös kaksi pientä vakaajaa.

Tyhjänä Starshipin massa on noin 85 tonnia ja se voisi kuljettaa 100–150 tonnia rahtia avaruuteen. Lentoonlähdössä tankattuna sen massa olisi noin 1 320 tonnia. Starshipin sisällä olisi tilaa jopa sadalle matkustajalle, ja sillä voisi lentää (ja laskeutua) niin Kuuhun kuin Marsiinkin.

Silloin alus kaipaa tosin polttoainetäydennystä avaruudessa, ja sen vuoksi alukset onkin suunniteltu siten, että ne voivat telakoitua toisiinsa ja toinen alus voi antaa polttoainettaan toiselle. Suunnitelmissa onkin tankkerialuksia, joiden ainoa tehtävä on polttoaineen vieminen kauemmaksi suuntaaville aluksille.

SpaceX on neuvotellut aluksen käytöstä satelliittien ja satelliittiparvien laukaisuun, mutta lisäksi sille on jo myyty yksi lento Kuun ympäri. Japanilainen miljardööri Yusaku Maezawa sopi kuulennosta SpaceX:n kanssa syyskuussa 2018, ja lennon on tarkoitus tapahtua vuonna 2023.

Maezawa lentää Starshipillä kaksihenkisen miehistön ohjaamana Kuun luokse ja takaisin, ja hän aikoo kutsua Dear moon -nimen saaneelle lennolle mukaan taiteilijoita. Maezawa on jättäytynyt pois yhtiöidensä aktiivisesta johtamisesta ja aloittanut valmistautumisen lentoonsa.

Superraskas Starship nousee Maasta järeällä kantoraketilla

Täyteen lastattu ja tankattu Starship ei pääse Maan pinnalta yksin avaruuteen, vaan se tarvitsee avukseen suuren kantoraketin. Sellainen on laite nimeltä Super Heavy. Sen tehtävänä olisi nostaa Starship korkealle ja kiihdyttää se melkein avaruuslentoon vaadittavaan nopeuteen.

Kuusta ja Marsista, joissa painovoima on pienempi, Starship kykenisi nousemaan kiertoradalle ilman apua. Muskin mukaan hyvin kevyesti lastatulla Starshipillä se saattaisi olla mahdollista myös Maasta.

Super Heavy on 68 metriä pitkä ja yhdeksän metriä halkaisijaltaan oleva raketti, joka nostaa Starshipin ilmaan ja kiihdyttää sen avaruuslentoon. Infokuva Super Heavy -kantoraketista. Siinä on 37 rakettia ja kuusi laskeutumisjalkaa. Kuva: SpaceX

Super Heavy olisi toiminnallisesti samanlainen kuin nyt SpaceX:n Falcon 9 -kantoraketin ensimmäinen vaihe, joka palaa lentonsa jälkeen takaisin lähtöpaikalle tai laskeutuu merellä olevan jalkapallokentän kokoisen lavetin päälle. Rakettivaihe huolletaan ja tarkistetaan, minkä jälkeen se voidaan käyttää uudelleen.

Nimensä mukaisesti Super Heavy on vain paljon suurempi: 68 metriä korkea ja yhdeksän metriä halkaisijaltaan oleva sylinteri, jonka sisälle mahtuisi hyvin useampikin nykyinen Falcon 9 -raketti.

SpaceX:n suunnitelman mukaan Super Heavystä tehdään saman tien kaksi täysikokoista koekappaletta. Ensimmäisen tekeminen alkaa ensi vuoden alussa Texasissa ja toinen tehdään Floridassa sen jälkeen, kun neljä Starshipin koealusta on valmiina.

Rakettivaiheen alaosassa on kuusi vakaajaa, joiden tyvissä ovat laskeutumisjalat. Yläosassa on neljä ritilämäistä vakaajaa, jotka on lentoon lähtiessä taivutettu runkoa vasten, mutta laskeutuessa ne avautuvat levälleen. Niiden avulla lentoa ohjataan samaan tapaan kuin Falcon 9:n laskeutumisia ohjataan nyt samankaltaisilla ritilöillä.

Viime vuonna Starship-suunnitelmassa oli vielä kolme vakaajaa aluksen alaosassa, mutta nyt niitä on vain kaksi. Starship irtoaa kuitenkin Super Heavyn päältä samaan tapaan kuin tässä vanhassa kuvassa. Kuvamanipulaatio, jossa Starship-alus on Super Heavy -kantoraketin päältä. Kuva: SpaceX

Super Heavyn massa on tyhjänä noin 230 tonnia ja täyteen tankattuna 3 530 tonnia. Starship mukaan laskettuna kokonaisuuden massa on yli 5 000 tonnia.

Vertailun vuoksi: kuuraketti Saturnus V:n massa oli laukaisun aikaan 2 970 tonnia ja sen viisi suurta moottoria kehittivät 35,1 meganewtonin työntövoiman. Super Heavy ärjyy 72:n meganewtonia 37 moottoristaan.

Teräs ja metaani ovat uuden ajan ratkaisuja

Super Heavyssä on siis paljon pieniä moottoreita, ja Starshipissä on kuusi sellaista. Kyseessä ovat SpaceX:n kehittämät uudenlaiset Raptor-nimiset rakettimoottorit, jotka ovatkin eräs koko hankkeen tärkeimmistä ja kriittisimmistä uutuuksista.

Ideana on käyttää samanlaisia moottoreita kummassakin osassa, joskin ilmakehässä siitä olisi käytössä eri versio kuin avaruudessa. Olennaisin ero näissä on suuttimen koko, sillä ilmattomassa avaruudessa pitempi suutin tarjoaa paremman työntövoiman.

Starship olisi erinomainen alus myös liikkumiseen Maan pinnalla paikasta toiseen. Avaruuden kautta koukkaamalla matka Suomesta Australiaan kestäisi vähän yli puoli tuntia. Näin lyhyellä matkalla ei tarvittaisi tarjoiluita tai toiletteja aluksessa. Ympäristön kannalta koukkaaminen kaukomaille avaruuden kautta olisi parempi kuin pitkään kestävät lennot matalammalla nykyisin liikennelentokonein. Kuvamanipulaatio, jossa Starship-alus on nousemassa ilmaan Pekingistä. Kuva: SpaceX

Rakettimoottoreissa tarvitaan aina polttoainetta ja hapetinta, koska avaruudessa ei ole ilmaa palamista varten. Hapettimena toimii yleensä happi, joka on tankattu mukaan nestemäisessä muodossa. Nestehappi on lämpötilaltaan -182°C. Sen vuoksi tankkien ja putkistojen täytyy olla sellaisia, että ne kestävät kovan kylmyyden.

Polttoaineena raketeissa käytetään usein kerosiinia tai nestemäistä vetyä. Raptor käyttää kuitenkin metaania, joka täytyy myös viilentää -162 °C:n lämpötilaan, jotta se muuttuisi nestemäiseksi. Metaani on valittu polttoaineeksi siksi, että sitä voidaan tehdään vedestä ja hiilidioksidista. Kun lennot aikanaan suuntaavat Kuuhun ja Marsiin, voidaan siellä olevia jäävarantoja käyttää polttoaineen valmistamiseen. Moottori on siis suunniteltu tulevaisuutta varten.

Super Heavyssä näitä moottoreita on jopa 37 kappaletta. Monen moottorin käyttäminen lisää raketin turvallisuutta, koska useampikin moottori voi rikkoutua laukaisun aikana ilman, että lento kärsii siitä. Kun Spaceshipin mukana ei ole paljon lastia, eli kun raketti on varsin kevyt, ei kaikkia moottoreita laiteta mukaan. Raketin alaosa onkin tehty siten, että siellä voi olla 24–37 moottoria lennosta riippuen.

Koska SpaceX suunnittelee rakentavansa ainakin kymmenen Starshipiä ja niihin kantoraketit, tarvitsee yhtiö suuren määrän Raptoreita. Pelkästään koekäyttöön ennen ensimmäistä kiertoradalle suuntaavaa lentoa tarvitaan yli sata moottoria.

Koealuksessa on kolme Raptor-moottoria, jotka ovat täysin uudenlaisia, uudelleenkäytettäviä ja yksinkertaisia rakettimoottoreita. Nämä versiot on tehty toimimaan ilmakehässä, ja siksi niissä on lyhyet suuttimet. Avaruuteen suuntaavissa aluksissa on lisäksi kolme ilmakehän ulkopuolella paremmin toimivaa moottoria. Koealuksen kolme Raptor-moottoria. Kuva: SpaceX

Niitä valmistetaankin parhaillaan sarjatuotannossa: yhden moottorin tekemiseen menee noin kymmenen vuorokautta. Muskin mukaan ensi vuoden aikana tahti paranee moottoriin päivässä.

Toinen aluksen uutuus on ruostumattoman teräksen käyttäminen. Texasin rakennustyömaalla on kuvien mukaan myös suomalaisen Outokummun tekemiä teräsrullia, eli näin yllättäen Suomikin on mukana hankkeessa.

Perinteisesti avaruuslaitteissa on käytetty alumiinia, titaania ja hiilikuitua, mutta Muskin mukaan ruostumaton teräs sopii Starshipiin paremmin monestakin syystä. Ensinnäkin teräs muuttuu avaruuden kylmyydessä (ja aluksen sisällä olevien superkylmien ajoaineiden vaikutuksesta) erittäin tukevaksi. Toiseksi teräs kestää paremmin paremmin suuria lämpötilaeroja, eikä se sula aluksen maahanpaluun aikana.

Alus syöksyy ilmakehään avaruudesta palatessaan ikään kuin maha edellä 60° kulmassa, jolloin vain suurimman kuumennuksen kohteeksi joutuvaan alaosaan täytyy laittaa keraamisia lämpösuojatiiliä. Yläosa on paljasta terästä, joka kestää siellä olevat lämpötilat.

Nyt Falcon 9:n ensimmäisissä vaiheissa suurimmat ongelmat uudelleenkäytettävyydessä ovat liittyneet juuri siihen, että alumiiniosat vaurioituvat ilmakehän kitkakuumennuksessa. Teräksen pitäisi kestää paremmin.

Koska Super Heavy ja Starship ovat suuria, on niiden massasta laukaisun aikaan suurin osa polttoainetta. Rakennusmateriaalin osuus kokonaismassasta on siis suhteellisesti pienempi kuin nykyisillä raketeilla, minkä vuoksi painonsäästö ei ole niin olennaista.

Kaiken lisäksi teräs maksaa vain noin 2 % hiilikuidun hinnasta, ja sitä voidaan paukuttaa oikeaan muotoon yksinkertaisesti vasaralla. Hiilikuidut pitäisi tehdä monimutkaisella prosessilla valmiiksi oikean muotoisiksi, eikä näitä osia voi juurikaan muokata sen jälkeen.

Luonnollisesti Starshipissä ja Super Heavyssä käytetään myös titaania, alumiinia ja hiilikuitujakin silloin kun se on perusteltua.

Onko Muskin suunnitelma realistinen?

Muskin puheet vaikuttavat pähkähulluilta, koska luulisi, että perinteiset avaruusyhtiöt olisivat tehneet jotain tällaista jo aikaisemminkin.

Toisaalta olisi voinut myös olettaa, että ne olisivat tehneet uudelleenkäytettäviä raketteja ennen Falcon 9:n laskeutumisia. Monet ennustivat, että laskeutumiset eivät voi onnistua, ja vaikka onnistuisivatkin, ei uudelleenkäyttö olisi kannattavaa. He olivat väärässä.

Muskin haaveissa Starship voisi kuljettaa ihmisiä myös muille planeetoille. Näitä kuvia katsoessa kannattaa kuitenkin muistaa, että luonnonlaeille ei SpaceX voi mitään: matka Saturnukseen kestää vuosikaupalla ja avaruudessa on paljon erittäin haitallista säteilyä. Samoin kaunis otsikkokuva Mars-asemista on varsin mielikuvituksellinen, koska todennäköisesti Mars-asemat tehdään aikanaan pinnan alle. Piirroskuva Starshipistä lennolla Saturnukseen. Kuva: SpaceX

Itse asiassa SpaceX tekee sitä, mistä on haaveiltu jo pitkään. Kun yhtiön Starhopper-koealus teki elokuussa pienen lennon Texasissa, se oli hyvin samanlainen temppu kuin vuonna 1993. Silloin McDonnell Douglas teki koelentoja DC-X-nimisellä rakettialuksella, jonka perusteella oli aikomus rakentaa uudelleenkäytettävä avaruusalus. Hanke kuitenkin peruutettiin.

Perinteisellä avaruusalalla ja avaruushallinnoilla on ollut paha tapa haudata viimeisten vuosikymmenien aikana kaikki vähänkin kunnianhimoiset ideat. Vasta SpaceX ja Elon Musk ovat laittaneet niitä eteenpäin. Uuden ajan avaruusyhtiössä ei ole byrokratiaa, eikä suurta joukkoa kyynisiä insinöörejä, jotka keskittyvät ratkaisujen löytämisen sijaan lähinnä keksimään syitä siihen, miksi jotain ei voida tehdä.

Edullisempi ja suorituskykyisempi elektroniikka, 3D-tulostus ja monet muut uudet tekniikat auttavat toki tekemään nyt uusia asioita, mutta samat tekniikat ovat olleet myös perinteisten avaruustoimijoiden käytössä pitkään. Suurin selitys SpaceX:n menestykseen onkin lähinnä asenne.

Alusten suuri koko on sinällään ratkaisu moniin aiempiin ongelmiin. Teräksen käytön mahdollisuus rakenteissa on suora seuraus tästä. Myös planeettainvälisen matkustamisen suurimpaan ongelmaan, säteilyyn, tuo suuri koko ratkaisun: aluksen sisälle voidaan tehdä suojat vaikka lyijystä.

Tähän mennessä SpaceX on onnistunut toteuttamaan kaiken, mistä Musk on aikanaan haaveillut. Aikaa tosin on mennyt yleensä paljon enemmän, ja myös takaiskuja on tapahtunut. Onnettomuuksien ei ole annettu kuitenkaan lannistaa, vaan niistä on otettu opiksi.

Varmasti edessä on nytkin vaikeuksia, viivytyksiä ja todennäköisesti myös alas syöksyviä raketteja, mutta kokonaisuudessaan Super Heavy ja Starship vaikuttavat erittäin lupaavalta kaksikolta. Voi olla, että niistä tulee uuden avaruusajan aloittajat – ikään kuin avaruusliikenteen DC-3, joka mullisti lentoliikenteen aikanaan.