Kun kierrätyskama on parempaa kuin uusi
Satelliitteja avaruuteen laukaisevien rakettien kehityksessä on viime viikkoina otettu kolme pientä, suurta harppausta eteenpäin.
Viime yönä Rocket Lab -yhtiöstä tuli toinen rakettilaukaisija, joka onnistui palauttamaan takaisin Maan pinnalle rakettinsa ensimmäisen vaiheen. Osuvasti ”Return to Sender” -nimen saanut lento vei avaruuteen 24 pientä satelliittia, mutta sen sijaan että raketin ensimmäinen vaihe olisi tuhoutunut, se oli tehty nyt kestämään ilmakehään paluussa tapahtuva kuumeneminen sekä varustettu laskuvarjolla, jonka varassa 12 metriä pitkä ja 1,2 metriä halkaisijaltaan oleva putkilo leijui alas.
Nyt vaihe putosi mereen, mutta vastaisuudessa ne on tarkoitus napata lennosta helikopterilla, jolloin merivesi ei pääse tekemään niihin tuhojaan.
Tätä ensimmäistä takaisin palannutta vaihetta tuskin käytetään uudelleen, koska Rocket Lab aikoo nyt hajottaa sen osiin ja tutkia miten se ja sen osat ovat kestäneet paluun rasitukset.
Vaihe kävi lennollaan yli 80 kilometrin korkeudessa, mistä alas ilmakehään pudotessa ilmanvastuksen kitkakuumennus on olennaista. Rakettivaiheen pinta käpristelee noin 500°C:n lämpötilassa kuumimmissa kohdissaan paluun aikana.
Tähän mennessä ainoa saman tempun tekemisessä onnistunut yhtiö on SpaceX, jonka Falcon 9 -rakettien ensimmäisten vaiheiden paluut ovat jo rutiinia. Ne tarkastetaan, huolletaan ja testataan ennen uutta lentoa, ja tähän mennessä näin on tehty jo 29 kertaa ja parhaat vaiheet ovat lentäneet jo viisi kertaa uudelleen.
Marraskuun 20. ja 21. päivinä SpaceX aikoo laukaista kaksi satelliittia vain noin 10 tunnin välein. Ensin noussee matkaan Kaliforniasta ESAn ja Nasan yhteinen Sentinel 6 Michael Freilich ja sitä seuraa Starlink-satelliittien seuraava parvi Floridasta. Kummatkin raketit käyttävät kierrätettyjä ensimmäisiä vaiheita ja ne on tarkoitus tuoda jälleen takaisin.
Yhtiön tahti on huima, eikä tämä olisi mahdollista ilman uudelleenkäyttöä.
Nyt 16. marraskuuta Kansainväliselle avaruusasemalle neljä astronauttia kyytinyt raketti on myös ensimmäinen, joka on tarkoitus käyttää uudelleen avarusulentäjien laukaisussa. Vaihe laskeutui onnistuneesti Atlantilla sitä odottaneen lavetin päälle, mutta kova merenkäynti sai sen melkein putoamaan yli laidan. Satamaan tullessaan vaihe oli hyvin reunalla ja kiikkui vinossa yhden laskeutumisjaloista kurottaessa reunan ylitse.
Onneksi laskeutumislotjassa oleva kiinnityslaite toimi suunnitellusti ja piti raketin kyydissä.
Jos tästä ei ole koitunut haittaa rakettivaiheelle, se lennättää seuraavan Crew Dragonin avaruuteen ensi maaliskuussa. Sen jälkeen kierrätysraketit olisivat myös ihmisten laukaisijoina.
Turvallisuusvaatimukset avaruuslentäjien lähettämisessä ovat huomattavasti korkeammat kuin muutoin, ja nyt uudelleenkäytettävät raketit ovat saavuttaneet tuon pisteen.
Voi olla, että pian kertaalleen lentänyt ja toimivaksi osoittautunut rakettivaihe on tilastollisesti jopa luotettavampi kuin ensilentonsa tekevä. Kenties kohta astronauttilennoilla ja muissa tärkeissä laukaisuissa saa käyttää vain kierrätysraketteja!
Kannattaako kierrätys?
Luotettavuuden lisääminen ei ole kuitenkaan ollut ensisijainen tarkoitus, vaan kustannusten säästäminen. Onhan se arkijärjenkin mukaan typerää, että miljoonia maksavaa laitetta käytetään vain kerran ja se päätyy kalojen harmiksi meren pohjaan.
Kantoraketissa sen ensimmäinen vaihe on ehdottomasti sen arvokkain osa. Se on suurin kooltaan, ja siinä ovat kalliit, isot rakettimoottorit. Jos – ja kun nyt – niitä voidaan käyttää uudelleen, säästyy paljon rahaa.
Falcon 9:n tapauksessa ensimmäisen vaiheen hinta on noin 60 % koko raketin hinnasta.
Vaiheen käyttäminen uudelleen maksaa kuitenkin rahaa ja syö vähän raketin suorituskykyä. Falcon 9:n tapauksessa takaisin palaamiseen ja laskeutumiseen vaadittava ylimääräinen polttoaine, laskeutumisjalat ja muut uudelleenkäyttöön liittyvät laitteet verottavat jopa kolmanneksen raketin laukaisumassasta. Tätä tosin kompensoitiin raketin viimeisimmässä versiossa siten, että sen suorityskykyä onnistuttiin nostamaan enemmän kuin tuon 30% verrattuna ensimmäisiin versioihin.
Vaiheen kierrättäminen ja valmistelu uutta lentoa varten maskaa noin 250 000 dollaria, joten säästö on todella suuri. Nykyisin SpaceX:n listahinta Falcon 9:n laukaisulle on 62 miljoonaa dollaria uutta vaihetta käytettäessä ja 50 miljoonaa dollaria kierrätysraketille.
Siinä missä Falcon 9 laskeutuu merellä olevalle lavetille tai laukaisupaikan lähellä olevalle laskeutumiskentälle rakettimoottorin hidastamana, käyttää Rocket Lab laskuvarjoa. Myös SpaceX pohti tätä tekniikkaa, mutta päätyi käyttämään laskeutumista, koska Falcon 9:n ensimmäinen vaihe on niin suuri ja painava.
Pienemmän Electronin tapauksessa laskuvarjo ja muut uudelleenkäyttämiseen tarvittavat muutokset pienentävät hyötykuormaa noin 7,5 %. Kuten SpaceX:n tapauksessa luku vaihtelee paljon sen mukaan millaiselle radalle satelliitti laukaistaan. Usein kuitenkin kuorma on kevyempi kuin raketti kykenee lennättämään, joten uudelleenkäyttövero sopii hyvin.
Rocket Labin johtaja Peter Beck sanoo, että Electronin laukaisu maksaa nyt noin seitsemän miljoonaa dollaria (mikä on noin neljäsosa aikaisemmista pienten rakettien laukaisuhinnoista), ja ensimmäisen vaiheen uudelleenkäyttämisellä hintaa saadaan leikattua ”dramaattisesti”. Hinta voi olla parin miljoonan dollarin luokkaa, eli karkeasti laskettuna alle 10 000 euroa kilogrammalta.
Keskipalkkaisen insinöörin pitäisi siis laittaa sivuun kaksi kuukausipalkkaansa, jos hän haluaisi laukaista Suomi 100 -satelliitin kaltaisen nanosatelliitin avaruuteen.
Missä Eurooppa menee?
Kolmas viime aikojen kiinnostava uudelleenkäytettäviin raketteihin liittyvä tapaus tulee Euroopasta. Suunnitteilla olevan, kokeellisen uudelleenkäytettävän Themis-raketin ensimmäinen koekappale nostettiin pystyyn testejä varten Ranskassa, Vernonissa.
Vernon on eurooppalaisrakettien koealue, ja tarkoituksena on nyt tehdä siellä tällä rehusiilon näköisellä pöntöllä samaan tapaan tankkaus- ja paineistustestejä kuin SpaceX tekee parhaillaan Starship-alusten prototyypeillä Teksasissa.
Kyseessä on ensimmäinen täysikokoinen Themiksen osa, ja siksi tapaus on merkittävä askel eteenpäin. Mutta työ etenee hitaasti, sillä Themiksen ensimmäiset koelaukaisut on tarkoitus tehdä aikaisintaan vuonna 2024. Lisäksi Themistä edeltää pienikokoinen testilaite nimeltä Callisto.
Callisto on oikeastaan kuin Falcon 9:n ensimmäinen vaihe, mutta pienempi, ja sen avulla on aikomus tehdä hyppäyksiä ylös ja alas. Näin laskeutumistekniikkaa voidaan testata ja parantaa. Käytännössä Eurooppa on siis tekemässä samaa kuin SpaceX, mutta vuosikymmentä myöhemmin.
On sääli, että aikanaan edistyksellisen (ja edelleen hyvin luotettavan) Ariane 5:n seuraajan Ariane 6:n tekemisestä päätettiin juuri ennen kuin uudelleenkäytettävyys alkoi tulla puheisiin. Siksi siitä on tulossa nyt varmaankin lajinsa viimeinen, kertakäyttöiten kantorakettien ajan huipentuma.
Ariane 6:n tekemisestä päätettiin joulukuussa 2014, jolloin SpaceX oli jo paitsi testannut laskeutumistekniikkaansa, niin myös tehnyt ensimmäiset laskeutumisyrityksensä satelliittilaukaisuiden yhteydessä. Jos Euroopalla olisi ollut tuolloin rohkea mieli ja näkemystä, niin Ariane 6:n suunta olisi voitu jo tuolloin kääntää kohti uudelleenkäytettävyyttä ja se olisi nyt täysiverisesti mukana kisassa.
Nyt näyttää siltä, että siitä tulee lyhytikäinen välivaihe. Kun raketti tekee ensilentonsa vuonna 2022, se on todennäköisesti eläkkeellä jo ennen vuosikymmenen loppua. Missään nimessä se ei pääse samaan kuin Ariane 5, jolle tulee lopulta kunnioitettava noin 25 vuotta kestänyt ura.
Euroopassa kuitenkin kuhisee pinnan alla. Useat yhtiöt kehittelevät Electronin kaltaisia pieniä raketteja, ja osa niistä suunnitellaan alusta alkaen uudelleenkäytettäviksi. Jännittävin on espanjalaisen PLD Space -yhtiön Miura 5 -raketti, jonka ensimmäinen vaihe olisi uudelleenkäytettävä. Yhtiö tähtää ensilentoon vuonna 2024 ja tekee parhaillaan pienempää Miura 1 -rakettia, joka ei pysty laukaisemaan satelliittia, mutta millä voidaan tehdä tutkimuslentoja.
Kun katsotaan kauemmaksi, niin myös kiinalainen i-Space on mukana kierrätysrakettikisassa. Yhtiö onnistui laukaisemaan Hyperbola-1 -rakettinsa avaruuteen viime vuonna ensimmäisenä ”yksityisenä” kiinalaisyhtiönä, ja se suunnittelee suurempaa, uudelleenkäytettävää Hyperbola-2 -kantorakettia. Se olisi periaatteeltaan kuin pieni Falcon 9.
Myös Venäjällä suunnitellaan uudelleenkäytettävää rakettia, Amuria. Sen suunnitelmia esiteltiinkin tässä syksyllä netissä innokkaasti, mutta ne vedettiin pois, kun irvailijat huomauttivat raketin olevan lähes suora Falcon 9:n kopio.
Kenties Euroopassa kannattaisi nyt ottaa askel eteenpäin, eikä haaveilla enää perinteisestä raketista, joka olisi vain uudelleenkäytettävä – osittain tai kokonaan. Täällä on itse asiassa jo olemassa suunnitelma seuraavasta sukupolvesta: brittiyhtiö Reaction Engines on kehittänyt pienellä rahoituksella jo jonkin aikaa uudenlaista moottoria, joka käyttäisi ilmakehässä ilmassa olevaa happea ja vaihtaisi tankissa olevaan happeen vasta korkealla ilmakehässä lentäessään.
Moottoria käyttämään suunnitellaan Skylon-nimistä avaruuslentokonetta, jolla voisi suhautella Maan ja avaruuden välissä samaan tapaan kuin lentokoneet lentelevät kaupunkien välillä täällä Maan pinnalla. Siihen kannattaisi nyt panostaa!
Tai sitten SpaceX on taas etuajassa Starshipillään. Voi olla, että avaruuteen menemisessä lentokoneiden ja siipien ajattelu on itse asiassa vanhanaikaista…
