Mars. Punainen planeetta maan lähinaapurissa. Jos on edes hieman kiinnostunut avaruudentutkimuksesta, Mars ja tehtävät Marsiin ovat olleet pinnalla jo jonkin aikaa. Elon Musk ja SpaceX on tehnyt erittäin selväksi, että Mars’in asuttaminen on ihmiskunnalle väistämätöntä ja vieläpä varsin lyhyellä aikataululla.
Olen toisinaan arvostellut Marsia mielekkäänä kohteena ja samoin pohtinut methalox moottoreiden käyttökelpoisuutta syvän avaruuden operaatioissa. Numeerisesti kiertorataoperaatiot kuuluisivat ydin- tai ydinsähköisille moottoreille ja pintaoperaatiot myrkkyraketeille.
Varsin merkittäviä muutoksia on tapahduttava, jotta ydinmoottorit saataisiin ensin luvitettua ja sitten koekäyttöjen kautta lentokäyttöön. Matemaattisesit, kemialliset propellantit, jopa myrkkyrakettien ulkopuolella, tuovat sisäplaneetat matkakohteiksi, jopa ihmisille, ei vain drooneille.
| Sisäplaneetat tarkoittavat asteroidivyöhykkeen sisäpuolella olevia planeettoja: Merkurius, Venus, Maa, Mars |
Myrkkyrakettien ulkopuolella on oikeastaan vain Hydrolox (H2 + O) ja Hiilivetymoottorit (CxHx +O2). Hydrolox moottoreissa olisi riittävä ISP, mutta vedyn varastointiin tarvittavat kryostaatit (20K nesteytyslämpötila) ovat monimutkaisia laitteita ja tilavuusvaatimukset ovat ongelma. Mutta, hiilivetymoottoreista on käyttöön nousemassa methalox, siis metaania ja happea käyttävät moottorit, joilla matkat ovat itseasiassa mahdollisia.
Aikaisemmissa artikkeleissa on pohdittu erilaisia menetelmiä ISRU (InSitu resource utilization) jalostamoita propelantin valmistukseen, sekä raketteja joilla tällaista toimintaa voisi teknisesti toteuttaa ja arvioitu kaupallisuutta.
Perusoletukset pätevät, vaikka moottorit kävisivät hiilijalosteilla. Metaanin synteesi on yksinkertainen hiilireaktio. Sabatier-reaktorit pysytyvät tähän jo tänä päivänä. Haasteena on saada tarpeellinen määrä hiiltä. Tämän vuoksi aikaisemmat esimerkit keskittyivät vesijäähän, sillä sen erottaminen on energiaintensiivistä, mutta raaka-aine on helposti saatavilla. Tutkimustulokset ovat kiistattomat, tuolla ylhäällä, vesijää on polttoainemalmi. Valitaan kuitenkin propelanttipariksi Metaani ja Happi- Ja pohditaan hieman millaisilla edellytyksillä tehtävä voidaan tehdä.
Maa-Mars orbitaalit
NASA uhosi jo 1960-luvulla, että Marsissa olisi pysyvä tukikohta 1980. Siitä on neljäkymmentä vuotta, ja vasta nyt puhutaan paluusta Kuuhun. Tällä hetkellä keskustellaan lennon logistiikasta jossa käsitteenä ovat nodaalinen lähestymistapa, jossa ei edes pyritä käyttämään yksittäistä rakettia tekemään koko matkaa.
Tätä mallia voidaan hyödyntää myös käsiteltäessä Mars operaatiota, jolloin voidaan tarkastella osakokonaisuuksia.
Marsiin pitää alkuunsa päästä, ja se alkaa katsomalla hieman Marsin orbitaalilukuja.
| Etäisyydet | Au |
| Semimajor | 1.5237 |
| Perihelion | 1.3814 |
| Aphelion | 1.6660 |
| Radan lähipiste maan kanssa | 0.37 |
| Radan uloin piste maasta katsottuna | 2.675 |
| Radan eksentria | 0.0934 |
| Kulmat | (°) |
| Inklinaatio | 1,850 |
| Perioidit | Päiviä |
| Orbitaali | 687,0 |
| Synodi | 779,2 |
| Orbitaalinopeudet | Km/s |
| Keskinopeus | 24,1 |
| Suurin | 26,5 |
| Pienin | 22,5 |
Otetaan hieman laskelmia, tehden oletuksena, että Marsiin mentäessä ei ole vielä merkittävää orbitaali-infraa saatavilla ja olemme valinneet propellantin, jossa on painotettu säilyvyyttä, mutta samalla helppoa synteesiä.
Kaikki siirtymät aurinkokunnassa on tehtävä hohhman siirtymillä, jotka ovat ellipsoideja. Keplerin kolmas laki kertoo meille P2 = ka3, eli orbitaalin perioidin neliö on verrannollinen sen radan isoakselin kuutioon.
Tämä mainittu isoakseli on keskimäärin 1.26AU (eli 0,5* (rMaa + rMars) [AU] = (1 +1.52)/2 = 1.26.
Joten vuosina kiertoaika on 1,41a, noin 517d. Tästä puolet on 259d. Tämä on se aika joka vaaditaan lentämiseksi marsiin.
Marsin nopeus on noin 24,1km/s ja se alkaa jo johtamaan hyvää vauhtia metsään. Marsin ratanopeus asteina on 0,524° / päivä, joten minimoimalla saadaan laukaisuikkuna 26kk välein. Samalla huomataan, että hohhman’in siirtymässä mars siirtyy 136 astetta, jolloin huomataan, että Marsin tulee olla 44 astetta edellä kun laukaisu tapahtuu.
Tälle siirtymälle saadaan delta-v kartasta noin 4,19km/s, mikä on täysin suoritettavissa kemiallisilla raketeilla, joskin tällä päästään vasta korkealle, ja hyvin eksentriselle radalle marsin ympäri. LMO radalle tarvitaan 1.5km/s lisää budjettia ja siitä alas 3,6km/s; Marsin ilmakehä on harva, mutta ei niin harva, ja Mars on jokseenkin puolet maapallosta, massan ja halkaisijan osalta. Mutta, tämä vähäinen kaasukehä tekee mahdolliseksi kaasukehäjarrutuksen, missä raketin saapuminen planeetalle tehdäänkin ilmakehän avustuksella, jolloin marsiin pääsee 4,8km/s. Jopa 1,3km/s halvemmalla kuin kuuhun, jos ollaan aivan tarkkoja.
Propellanttilaskelmia
Ihmiskunnalla on muutama raketti joiden operaatioikkuna ulottuu marsiin. Näiden hyötykuormaluvut liikkuvat 14t molemmin puolin, joten sanotaan 14t olevan siedettävä keskiarvo, mutta näillä raketeilla viedään rahtia perille. Nämä ovat orbitaalinousuihin tarkoitettuja raketteja, joista vain ensimmäinen vaihe raketti voidaan käyttää uudelleen ja sekin vain Maassa; Tämä laskee vain rahtitonneja marsiin, mutta kakkos- ja hyötykuormadroonia ei enää saada takaisin.
SpaceX:n ITS (Interplanetary Transport System) on tästä radikaali poikkeus. SpaceX:n kunnianhimoinen projekti keskittyy uudelleen käytettävyyteen, eli ITS sukkulaosaa ei heitetä pois vaan se tankataan tarpeen mukaan, ensin laukaisun jälkeen Maan kiertoradalla, ja sitten sukkulan paluulentoa varten, uudelleen tankkaus Marsissa.
Suoritetaampa nyt sitten muutama laskelma. ITS sukkulalle annetaan tyhjämassaksi 275t, propellantiksi 6,700t ja hyötykuormaksi Marsin radalle on 450t. Ja Raptorista tiedetään ISP, 334s (3,28km/s)
Tällä on mahdollista laskea raketille Delta-V, Tsiolkovskin yhtälön muodossa:
Jossa,
Delta V = on raketin deltaV budjetti, m/s
V_e = Propulsiojärjestelmän pakokaasun ulosvirtausnopeus
m = raketin kokonaismassa
m_e = raketin kuivamassa (propellanttitankit tyhjät)
m/m_e = R, jolloin deltaV = V_e = ln(R)
R = massasuhde
Sijoittamalla yhtälöön saadaan Ve = 7,63 km/s
Tarve oli 4,8km/s eli numeerisesti SpaceX raketti kyllä pääsee perille ja sen tankeissa olisi vielä marginaaliakin. Mutta takaisin sillä ei enää pääse. Ilmakehäjarrutus poistaa Marsin laskeutumispolton tarpeen, mutta paluu delta-v on edelleen maksettava. Jäljellä olevalla propellantilla ITS omistaa 7,5 km/s delta-v, kun hyötykuorma on pudotettu pintaan, mutta paluu tehtävä Maan matalalle radalle on noin 9,6 km/s.
Tätä varten raketti on tankattava uusiksi Marsissa, jolloin täydellä tankilla ITS omaa delta-v’tä 10,60km/s joka riittää jo aivan sujuvasti paluuseen maahan, siis noin summittaisilla luvuilla.
Edellytyksenä ITS onnistumiselle on siten siis polttoaineen jalostus, jälleen kerran. Mutta koska ITS käyttää Metaania ja happea, sitä ei voida tankata vesijäällä, vaan metaania on saatava jostakin. Pidetään tämä rajoitus mielessä.
Mars prospektointi
Olemme laittaneet panoksen metaani+happi moottoriin, joten keskitytään tutkimaan miten sitä voidaan jalostaa. Selvästi ITS on tarkoitettu tankattavaksi Marsissa ja uudelleen Maassa. Metaani ei ole monimutkaista syntetisoida ja luonnonvarojakin maassa riittää, toistaiseksi. Entäpä Mars? Mitä Marsissa on saatavilla tarjolla?
Marsin kaasukehä on pääasiassa hiilidioksidia, mutta ilmakehä on ohut. Ilmakehän paine on 1% maan vastaavasta, varsin lähellä tyhjiöä siis. Ilmakehästä 96% on hiilidioksidia, ja 4% Argonia ja Typpeä.
Geologisesti Mars’in kivikehä on ollut historiassaan tuliperäinen. Tuliperäisiä mineraaleja on runsaasti, esim oliviinia, pyrokseeniä ja plagioklaasista maasälpää. Malmiesiintymistä ei, ymmärrettävästi, ole paljoa tietoa.
Mutta maaperässä on rautaa, titaania, piitä, alumiinia ja happea. Kuten aikaisemmin sanottua kiertoratakaivoksissa, määrät ovat mineraalitasoa, eivät malmia. Kiintoisasti, tähän listaan on voitu lisätä myös hiiltä, tarkemmin sanoen C-12, jota Curiosity Rover löysi noin 50% kaikista maanäytteistä.
Jäänäytteitä on samoin löydetty. Valles Marines’ista (2021) ExoMars tehtävissä, erittäin suurissa määrissä.
Edellytykset Marsin polttoainejalostukselle Ja sitä kautta asutukselle ovat olemassa. Kovinkaan ystävällisestä planeetasta ei ole kyse, mutta mukavuus ei ole mittari jolle annettaisiin juurikaan painoarvoa, kun tällaista tehtävää mietitään.
Tiedustelusta jalostukseen
Pintatiedustelu on suoritettu. ITS pitäisi saada tankattua, mitenkä sen tekisi. Happea saadaan erotettua sulasuola elektrolyysillä, ja sabatier-reaktori tuottaa metaania.
CO_2 + 4H_2 à (400 °C) à CH_4 + 2H2O
Reaktio vaatii katalyytin, jonka pinnassa reaktio tapahtuu. Useimmin käytettynä katalyyttinä on nikkeli, sen helpon saatavuuden ansiosta. Reaktio on energeettisesti köyhä, jokainen mooli metaania vaatii 216 kJ energiaa, mutta lopputulos on kiistatta propellanttia jota ITS voi käyttää moottorissaan.
Reaktio vaatii kahta kemikaalia joista toista voidaan valmistaa vesijäästä, mutta varsinainen hiililähde on ongelma. Ilmakehästä kaasujen irroittaminen on… vaikeaa.
Kauniisti sanottuna.
Ilmakehän tiheys Marsissa on keskimäärin 0,02kg/m^3. Eli yksi kuutio ilmakehää painaa 20g, josta:
| Kemikaali | Pitoisuus | Massa (g) | Molekyylimassa | Molekyylejä |
| CO_2 | 96% | 19,2 g | 44.01 g/mol | 2,62 * 10^25 |
| Ar | 2,1% | 0,42 g | 39,948 g/mol | 6,3 * 10^23 |
| N_2 | 1,9% | 0,38 g | 28 g/mol | 8,1 * 10^23 |
Täydellinen CO2 irroitus yhdestä kuutiosta ilmakehää tuottaisi 19,2g kemiallisesti puhdasta hiilidioksidia.
Natrium- ja kaliumhydroksida on käytetty jo pitkään sukellusveneissä hiilidioksidin irroitukseen ilmakehästä. Tosin näissä tapauksissa yleensä natrium hydroksidi kyllästyy nopeasti muodostaen natriumkarbonaattia ja pesusoodasta ei nyt varsinaisesti ole tässä hyötyä.
Vai onko? Kaustisointiprosessilla natriumkarbonaatti voidaan käsitellä kalsiumkarbonaatiksi, lisäämällä seokseen vettä ja kalsiumhydroksidia. Tämä voidaan puhdistaa natriumhydroksidiksi, joten ensimmäinen kierto, eli hiilidioksidin talteenotto on saatu tehtyä. Prosessi hukkaa jonkin verran happea ja vetyä, joten aivan mooli-moolista hydroksidia ei saada takaisin kiertoon, mutta natriumhydroksidia voidaan valmistaa Marsissa. Palataan siihen.
Mekaaninen filtteröinti tuottaa kalsiumkarbonaattia, mutta edelleen käyttö vaatii höyrykuivausta. Vettä saadaan jäästä ja kaikki prosessit ovat energiaa vaativia, joten oletetaan energiaa olevan tarpeeksi veden höyrystämiseen.
Kuivattu kalsiumkarbonaatti voidaan nyt ajaa uuniin, missä kalsiumkarbonaatti hajoaa hiilidioksidiksi ja kalsiumhydroksidiksi. Koko prosessi näyttäisi tältä.
Jossa,
l = neste
aq = vesiliuos
s = kiinteä
g=kaasu
Nyt hiilidioksidi voidaan irroittaa tiivistettynä kompressoriin ja siitä Sabatier reaktoriin, jossa kobolttikatalyytillä saadaan aikaiseksi metaania.
Entäs natriumhydroksidi ja kalsiumoksidi? Natriumhydroksidia voidaan valmistaa Natriumkloridista elektrolyysillä. Tutkimukset osoittavat marsin pinnassa olevan myrkyllisiä määriä perkloraatteja, näiden joukossa myös natriumkloridia. Reaktio on myrkyllinen, mutta se tuottaa natriumhydroksidia.
Kalsiumkarbonaattia on saatavilla aivan sellaisenaan Marsissa, tätä pitää vain louhia. ”Vain Louhia” voi johdattaa varsin väärään suuntaan. Jalostamon pitää tässä tapauksessa tuottaa 6700 tonnia metaania ja happea, mikä ei ole alkuunkaan triviaali määrä.
Biotuotanto
Tarkoitus määrittää tehtävälle parametrit. Koska pohdimme Mars tehtävää SpaceX:n, tehtävän mittakaava on otettava huomioon. Kemialliset prosessit ovat yleensä skaalattavissa alas, joten ylläoleva prosessi on mahdollista tehdä pienessä mittakaavassa, jollloin voisi palvella yhdeksäntonnia painavaa Mars rakettia, mutta ainoat tehtävät joita mediassa käsitellään ovat huomattavasti kunnianhimoisempia.
Biologiset prosessit ovat yleensä tehottomia, toimintoja tarkastellessa energiatiheyden puolesta. Mutta biologiset prosessit laajentuvat mielellään täyttämään elintilansa, kunhan rajoittavia tekijöitä ei ole.
Toisin sanoen, metaania voisi tuottaa biologisilla keinoilla, osana siirtokunnan toimintaa. Pohditaan alkuunsa mitä biotuotanto tarvitsee ja mitä skaala-ajattelu tuo tullessaan. Methanogeneeniset bakteerit (e.g. Methanobacterium bryantii) olisivat lupaava vaihtoehto, mutta happirasituksen tuoma onglema jättävät nämä bakteerit syrjään. Myös siksi, että lähde [5] ” Designing the bioproduction of Martian rocket propellant via a biotechnology-enabled in situ resource utilization strategy” antaa erinomaisen esimerkin biotuotannosta Marsissa, jos tosin artikkelin esittelemä tuotanto pyrkii tuottamaan 2,3-butanediolia joka sopisi sellaisenaan rakettiin polttoaineeksi, mutta alkuunsa jo valittiin metaani polttoaineeksi.
Onneksi -OH ryhmiä sisältävän hiilivedyn prosessointi metaaniksi onnistuu kaasutuslaitoksessa, joka ei massallisesti tai teknisesti ole alkuunkaan yhtä monimutkainen kuin CO2 ilmakehälaitos.
Prosessi on tyypillinen bioprosessi. Marsissa on ilmakehässä enemmän hiilidioksidia kuin maassa, eivätkä muut kaasut vaikuta haitallisesti prosessiin, joten prosessiin saadaan tärkein raaka-aine helposti, eli hiilidioksidi.
Reaktorissa oleva fotosynteesiin kykenevä levä tuottaa glukoosia ja sivutuotteena happea, jota voidaan käyttää joko tukikohdan, tai siirtokunnan tarpeisiin tai varastoida nestemäisenä hapettimeksi.
Glukoosi kelpaa ravinteiksi bakteerikasvustolle, joka on manipuloitu tuottamaan –OH ryhmiä sisältäviä hiilivetyjä. Artikkeli 5 mainitsee tämän olevan Butanediolia. Hyväksytään.
Varsinaisesti biotuotanto ei ole teollisessa hyötysuhteessa, mutta se onkin tarkoitettu skaalautumaan isoksi.
Loppusanat
Aloittaessani tämän artikkelin kirjoittamista olin skeptinen SpaceX ITS Mars Tehtävästä. Syvän avaruuden operaatioissa olin vakuuttunut ydinmoottoreiden tarpeesta. ISP merkitsee teollisessa toiminnassa kovassa tyhjiössä, vedelläkin käytettynä ydinmoottorit omaisivat huomattavan ISP edun, kaikkiin muihin propellantteihin verrattuna.
Propellanttiongelma on kuitenkin logistinen ongelma enemmänkuin tekninen ongelma. Molemmat ylläaolevista teknologioista ovat täysin toteutettavissa, jos molemmissa on epävarmuuksia. Molemmat teknologiat saavat aikaiseksi jalosteita- Toinen ei vaadi kuin energiaa ja koneita. Toinen vaatii energiaa, ravinteita ja tilaa.
Arvelisin näitä molempia käytettävän rinnakkain Marsin propellantin jalostuksessa. Jos raketti teknologiasta voi ammentaa oppeja, niin kahdennus on kannattavaa. Kahdennus kahdelle eri taksonomialle on vielä kannattavampaa.
Mutta, hiilivetymoottoreilla, etenkin kun raketti skaalataan riittävästi päästään aloittamaan sisäplaneettojen todellinen hyödyntäminen, ja ITS tarjoaa selkeää etua konseptisuunnittelussaan. Se on monitoiminen raketti jonka suurimmat haasteet tulevat polttoprosessita, ei lupaviidakosta ydinpolttoaineiden suhteen- Niin pitkään kun emme pysty suhtautumaan ydinpolttoaineisiin kuin aikuiset, ITS kemiallisen moottorinsa kanssa kykenee tekemään tehtävänsä.
ITS on tehtäväänsä riittävä.
2) https://www.jpl.nasa.gov/news/nasas-curiosity-rover-measures-intriguing-carbon-signature-on-mars
3) https://www.space.com/mars-water-below-valles-marineris-canyon
5) Designing the bioproduction of Martian rocket propellant via a biotechnology-enabled in situ resource utilization strategy, Nicholas S. Kruyer , Matthew J. Realff, Wenting Sun, Caroline L. Genzale & Pamela Peralta-Yahya