Puhutaan rakettivaiheista ja avaruusromusta
Tuoreet uutiset kertovat, että virolaisten opiskelijoiden tekemä ESTCube-2 on tuhoutunut saman tien avaruuteen pääsynsä jälkeen viime viikolla (9. lokakuuta 2023). Syynä ei ole itse satelliitti, vaan se, ettei se irronnut lainkaan omille teilleen Vega-kantoraketin ylimmästä vaiheesta, vaan syöksyi ilmakehään ylimmän vaiheen mukana.
Vegan ylin vaihe, nimeltään AVUM, ohjattiin suistumaan radaltaan täysin tietoisesti, koska näin se ei jää kiertämään Maata avaruusromuna. Ilmakehän kitkakuumennus tuhoaa rakettivaiheen kokonaan, ja nyt siis samalla meni virolaisten tuliterä satelliitti – ja mukana myös suomalainen koelaite, jonka avulla oli tarkoitus testata sähköistä aurinkopurjetta.
Oliko syynä säiliö, jonka sisällä satelliitti oli laukaisun ajan, vain itse satelliitti, joka olisi jäänyt jumiin säiliön sisään jostain syystä, on vielä epäselvää. Syypää voi olla myös Arianespace ja Vega-raketti, jos signaali säiliön avaamisesta ja ESTCube-2:n vapauttamisesta ei mennytkään perille säiliölle.
Tästä toivottavasti saadaan vielä tietoa, tapaus on kiinnittänyt huomiota siihen, mitä rakettien ylimmille vaiheille tehdään. Kaikki vastuulliset satelliittilaukaisijat pyrkivät siirtämään ne pois kiertoradalta Maan ympärillä, koska siellä on jo nyt aivan liikaa täysin toimettomia kapineita. Avaruusromua on liikaa, eikä uusia romuja haluta luonnollisestikaan lisää.
Ylös tai alas
Kaikki nykyisin käytössä olevat kantoraketit, joilla satelliitteja ja muita avaruusaluksia lähetetään avaruuteen, koostuvat useista osista, joita kutsutaan vaiheiksi.
Ensimmäinen vaihe on raketin ”alin”. Se on suurin ja voimakkain, koska sen tehtävänä on nostaa raketti ilmaan, kiihdyttää sitä ja nostaa se noin sadan kilometrin korkeuteen. Tyypillisesti ensimmäinen vaihe toimii vain muutaman minuutin ajan, se irtoaa ja toinen vaihe sytyttää rakettimoottorinsa. Ensimmäinen vaihe putoaa alas ja toinen vaihe sekä koko ”ylempi” osa rakettia jatkavat kohti avaruutta.
Yleensä ensimmäinen vaihe putoaa mereen tai asumattomille alueille, koska suurin osa raketeista laukaistaan meren tai autiomaiden päälle. Kiinassa tosin vaiheita putoaa joskus myös harvan asutuksen keskelle.
Poikkeus tästä on SpaceX:n Falcon 9, jonka ensimmäiset vaiheet, boosterit, palaavat takaisin ja ne voidaan käyttää uudelleen. Tehtävänsä tehtyään ne heilauttavat itsensä alaspäin, hidastavat vauhtiaan rakettimoottorin poltolla ilmakehän tiiviimpiin osiin palatessaan (ja samalla itseään rakettimoottorin pakokaasujen avulla suojaten) ja laskeutuvat takaisin joko merellä odottavan lavetin päälle tai laukaisupaikan vieressä olevalle alueelle.
Laskeutuva Falcon 9:n boosteri on huima näky: 41 metriä pitkä ja 3,7 metriä halkaisijaltaan oleva putkilo syöksyy kohti maata yläosassa olevien ritilämäisten vakaajien ohjaamana ja sitten, juuri ennen laskeutumista, rakettimoottori käynnistyy hidastamaan putoamista ja neljä laskeutumisjalkaa avautuvat. 25-tonninen rakettivaihe laskeutuu pehmeästä ja tarkasti.
Niin ne ovat tehneet jo yli 200 kertaa. Pari käytössä olevista on tehnyt jo 17 lentoa, ja vähitellen uudelleen lentäviä rakettivaiheita pidetään luotettavampina kuin ensilentonsa tekeviä: sisäänajetut ovat ongelmattomampia.
Ylempiä vaiheita on raketista riippuen yhdestä kolmeen. Falcon 9:llä on ”vain” yksi, eli toinen vaihe, jonka päällä hyötykuorma on. Se ohjataan tuhoutumaan ilmakehässä näyttävällä rakettimoottorin poltolla, kun satelliitit on irrotettu siitä.
Pienemmässä Vegassa on puolestaan kolme ylempää osaa. Kuten ensimmäinenkin, kaksi seuraavaa toimivat kiinteällä polttoaineella. Niitä ei voi juurikaan hallita lennon aikana, joten viimeisin nestemäisellä polttoaineella toimiva vaihe hoitaa radan hienosäädön ja sen rakettimoottori voidaan myös käynnistää uudelleen. Uudelleen käynnistäminen on tarpeen, kun satelliitteja on useita ja niiden vapauttamisen välillä rataa muutetaan. Ja sitten lopuksi, kun moottorilla hidastetaan ratanopeutta sen verran, että vaihe vajoaa alaspäin ja tuhoutuu lopulta ilmakehän tulisessa syleilyssä.
Suurin osa rakettien ylimmistä vaiheista siivotaan pois avaruudesta tähän tapaan, mutta toisinaan ne myös kiihdytetään pois maapallon luota planeettainväliseen avaruuteen. Taannoisella Atlas-raketin lennolla, jolla vietiin avaruuteen ensimmäiset KuiperSat-konstellaantion satelliitit, ylin vaihe singottiin kiertämään Aurinkoa radalla, joka kurottaa 2,21 AU:n etäisyydelle Auringosta – siis reippaasti Marsin radan ulkopuolelle.
Tämä tapa tosin on kaikkea muuta kuin hyvä ratkaisu, sillä nyt tämä ylin vaihe kiertää Aurinkoa avaruusromuna ja palaa varmasti joskus kummittelemaan Maan lähelle. Näin on käynyt aikaisemminkin esimerkiksi Apollo-aluksia kohti Kuuta sysänneiden Saturn V -raketin ylimpien vaiheiden kanssa.
30 vuorokautta aikaa laukaisun jälkeen
Avaruusajan alussa näitä rakettivaiheita räjäyteltiin avaruudessa, koska ajateltiin, että näin niistä päästäisiin parhaiten eroon. Vaikka ajatus oli hyvä, niin yhden ison, helposti seurattavan kappaleen sijaan tuloksena oli paljon pieniä, mutta vaarallisia kappaleita, joita ei pystytä seuraamaan.
Räjähdyksiä on tapahtunut myös vahingossa, kun akut tai polttoainetankit ovat pamahtaneet.
Sen jälkeen vaiheet jätettiin avaruuteen. Ne ”passivoitiin”, eli jäljellä olleet polttoaineen rippeet päästettiin ulos ja elektroniikka sammutettiin. Avaruudessa olevien kappaleiden radat hivuttautuvat vähitellen alaspäin maapalloa ympäröivän hyvin ohuen kaasun – ilmakehän rippeiden – hidastamana, mutta aikaa laukaisusta ilmakehään syöksymiseen saattaa kulua vuosikymmeniä tai enemmän.
Nyttemmin suurin osa vaiheista ohjataan pois kummittelemasta Maan ympärillä keinolla tai toisella, mutta avaruusromuongelma vaatii silti nykyistä parempaa ohjeistusta. Satelliitteja laukaistaan nyt ennätyksellisen paljon ja tahti on vain kasvamassa.
Siksi Yhdysvaltain avaruuslaukaisuluvista vastaava FAA (Federal Aviation Authority) ehdotti syyskuussa, että rakettiyhtiöille annetaan 30 vuorokauden määräaika rakettivaiheidensa häätämiseen avaruudesta. Aloite on nyt lausuntokierroksella.
FAA toteaa, että ilmakehään pudottaminen on helpoin ja suositeltavin tapa vaiheiden tuhoamiseen. Aurinkoa kiertävälle radalle sinkoaminen on toivottavaa vain lennoilla, joilla lähetetään hyötykuormia Maata kiertävää rataa kauemmaksi.
Euroopan avaruusjärjestön avaruusromutoimiston mukaan 80 prosentissa rakettilaukaisuista ylimmästä vaiheesta pyritään aktiivisesti pääsemään eroon. Suurin osa näistä onnistuu. Tässä on otettu suuri harppaus eteenpäin, sillä vielä 2000-luvun alussa luku oli vain 20 prosenttia.
Kolmas vaihtoehto on vaiheiden ohjaaminen erityisille hautausmaaradoille. Jo nyt tällaisia on mm. geostationaariradan yläpuolella, mihin käytöstä poistettavat satelliitit nostetaan. Näiden ratojen tulisi olla stabiileita ainakin sadan vuoden ajan ja selvästi erossa alueista, missä on paljon satelliitteja.
Jos vaihetta ei voi tuhota muuten, niin sen täytyisi pudota itsestään pois 25 vuodessa. Tosin FAA haluaisi lyhentää tämän vain viiteen vuoteen. Näissä tapauksissa maahanpaluu tapahtuu hallitsemattomasti, joten tämä ei sovi suurikokoisille rakettivaiheille; pienet tuhoutuvat ilmakehässä, suurista saattaa jäädä rippeitä, jotka putoavat alas.
Yksi mahdollisuus olisi myös jättää vaiheet hyvin elliptisille radoille, joilla ne etääntyvät kauas maapallosta ja ovat suurimman osan ajasta siellä jossain kaukana. FAA haluaisi näille 200 vuoden määräajan sille, että ne putoavat itsestään alas. Ja taas: kappaleet eivät voisi olla niin suuria, että niistä saattaisi pudota Maan pinnalle saakka osia.
Lähitulevaisuudessa häämöttää myös siivoaminen. Useat yhtiöt ovat kehittämässä robottisatelliitteja, jotka voisivat huoltaa ja tankata satelliitteja avaruudessa. Ne, tai erityiset tarkoitusta varten tehdyt satelliitit voisivat myös napata kiinni rakettivaiheita ja viedä ne joko tuhoutumaan ilmakehässä tai hautausmaaradalle.
Sakot roskaamisesta
Yhdysvalloissa avaruuden roskaamista säätelee FAA:n lisäksi tietoliikenteestä vastaava FCC (Federal Communications Commission). Se vastaa geostationaariradalla olevien tietoliikennesatelliittien valvonnasta.
FCC antoi lokakuun 2. päivänä 150 000 dollarin sakot Dish Network -yhtiölle, joka ei ollut siirtänyt EchoStar-7 -satelliittia asianmukaisesti hautausmaaradalle.
Kyseessä on ensimmäinen kerta avaruuslentojen historiassa, kun avaruusromun jättämisestä sakotetaan. Tämä on konkreettinen merkki siitä, että avaruusromu otetaan nyt vakavasti.
Tässä tapauksessa tosin kyseessä on vahinko, sillä geostationaariradalla olleen EchoStar-7:n ohjaajat koittivat nostaa satelliittia sen eliniän päätteeksi 300 km korkeammalle radalle, eli hautausmaaradalle, minne 35 786 km:n korkeudessa olevalta geostationaariradalta ohjataan ikääntyviä satelliitteja.
EchoStar-7:n polttoaine loppui, kun se oli 122 kilometriä korkeammalla.
FCC:n mukaan Dish Network koitti käyttää satelliittiaan mahdollisimman pitkään, jolloin sillä ei ollutkaan enää tarpeeksi polttoainetta ratamuutokseen.
Yhtiö on hyväksynyt sakot ja lisäksi se on mm. luvannut tehdä kaikille käytössä oleville satelliiteilleen tarkan käytöstäpoistamissuunnitelman.
Vaikka viranomaistoiminta tuntuu joskus toimintaa hidastavalta ja byrokraattiselta, niin usein se on paikallaan – etenkin nyt, kun avaruuden käyttö on hurjassa kasvussa. Seuraavassa vaiheessa säädöksiä ja määräyksiä pitäisi säätää maailmanlaajuisesti, mutta valitettavasti tässä geopoliittisessa tilanteessa se taitaa olla toiveajattelua.