Uudenlaista, ilmaa hengittävää rakettimoottoria suunnitteleva brittiyhtiö Reaction Engines sai eilen todella ison tönäisyn eteenpäin, kun se ilmoitti uudesta rahoitusruiskeesta. Mukana yli 30 miljoonan euron rahoituspaketissa on myös ilmailu- ja avaruusteollisuusjätti Boeingin investointiyhtiö Boeing HorizonX Ventures.
SABRE, eli Synergetic Air-Breathing Rocket Engine, on ainakin teoriassa käänteentekevä moottori, joka tekisi lentokonemaiset lennot avaruuteen ja takaisin mahdollisiksi. Lisäksi tällaista ilmaa hengittävää rakettimoottoria voisi käyttää mantereelta toiselle nopeasti suihkivien liikennekoneiden moottorina.
Perinteisen kemiallisen rakettimoottorin periaate on se, että polttokammiossa poltetaan polttoainetta ja hapetinta, yleensä vetyä tai kerosiinia ja happea. Nopean palamisen tuloksena syntyvät pakokaasut suunnataan suuttimella taaksepäin, jolloin voiman ja vastavoiman lain mukaan raketti ponnistaa vastakkaiseen suuntaan.
Kun nykyisin rakettimoottorit joutuvat käyttämään myös ilmakehässä lentäessään tankeissa olevaa happea, mikä paitsi lisää raketin kokoa ja massaa, niin tekee sen laukaisusta hankalaa, kun polttoaineen lisäksi yleensä nestemäisessä muodossa olevaa superkylmää happea pitää tankata rakettiin.
Reaction Enginestin ideana on yksinkertaisesti ottaa mukaan vain vähän happea, ja käyttää ilmakehässä lentäessään ilman happea hyväkseen vähän samaan tapaan kuin suihkumoottorit tekevät nyt – paitsi että SABRE viilentää ilmaa hyvin kylmäksi, noin -150°C:n lämpötilaan, jolloin ilma on tiiviimpää ja sitä voidaan tunkea putkia pitkin rakettimoottorin polttokammioon helpommin.
Tärkein moottorin osa onkin sen etummaisena oleva jäähdytin, joka otsikkokuvassa on oikealla.
Sen tehtävänä on nimensä mukaisesti jäähdyttää ilmaa, jolloin ilma on tiiviimpää ja sitä voidaan ahtaa helpommin suuria määriä moottoriin. Ilmaa pitää jäähdyttää myös hyvin suurella nopeudella, koska laite lentää ilmassa moninkertaisella äänen nopeudella ja moottoriin pakkaantuu ilmaa hyvin paljon. Ilmansyöttö ja sen hallitseminen olivat esimerkiksi Concordessa syynä sen pitkiin ja sisustaltaan monimutkaisiin ilmanottoaukkoihin – ja avaruuslentokoneessa tilanne on vielä mutkikkaampi.
Kun aluksen nopeus on noin 5,5 kertaa äänen nopeus ja lentokorkeus noin 25 kilometriä, siirtyy moottori käyttämään aluksen mukana olevaa nestemäistä happea.
Ilman jäähdyttämien tuo mukanaan myös ongelman: ilmassa oleva vesihöyry jäätyy helposti ja pyrkii tukkimaan jäähdyttimessä olevat ohuet tiehyeet, joita tarvitaan suuren ilmamäärän nopeaan nesteyttämiseen.
Ongelmia siis riittää, mutta ongelmat on tehty ratkaistaviksi.
Reaction Engines on testannut jäähdyttimen periaatetta useilla koeasemilla, mutta ei vielä koskaan lennossa tai lentämistä täysin vastaavissa olosuhteissa. Tähänastiset tulokset ovat kuitenkin lupaavia.
Yhtiö on jo saanut rahoitusta moottorin toimivan prototyypin tekemiseen vuoteen 2020 mennessä, mutta uusi rahoitus auttaa tähtäämään jo pitemmälle konkreettisella tasolla.
Tavoitteena on tehdä moottoria käyttävä avaruuslentokone nimeltä Skylon. Se voisi toimia satelliittien laukaisijana ja sen liikennelentokoneversio voisi lentää kolmessa vartissa toiselle puolelle maapalloa.
Käytännössä kone siis hyppäisi matalalle kiertoradalle Man ympärillä ja lentäisi siellä ilmakehän yläpuolella suurimman osan matkasta ennen laskeutumista alas määränpäähän. Tällainen lentäminen olisi paitsi huomattavasti nykyistä nopeampaa, niin myös sen päästöt ilmakehään olisivat olennaisesti pienemmät.
Moottoria voidaan käyttää myös vain ilmakehässä lentävissä lentokoneissa, jolloin nestemäistä happea tarvitaan vain hyvin vähän.
Yhtiön moottoriaan varten kehittämää tekniikkaa voidaan käyttää myös muissakin sovelluksissa sähköautoista ja lämmön talteenottamiseen esimerkiksi jätteenpoltossa.
*
Juttua on korjattu 14. huhtikuuta: SABREn edeltäjäkonsepti LACE pyrki nesteyttämään ilmaa, mutta sen suurien haasteiden vuoksi SABRE pyrkii "vain" jäähdyttämään ja pakkaamaan ilmaa rakettimoottoriin.
Brittein saarilta ei kuulu vain poliittisia kuulumisia, vaan myös hyvä uutinen avaruuslentokoneisiin liittyen: pitkään ideatasolla kehitteillä ollut "hengittävä" rakettimoottori Sabre saa rahoituksen kokonaisen, toimivan koeversion tekemiseen.
SABRE, eli Synergistic Air-Breathing Rocket Engine (karkeasti käännettynä "ilmaa hengittävä rakettimoottori") on Alan Bondin jo 1980-luvun lopussa ideoima uudenlainen rakettimoottori, joka pystyy käyttämään hyväkseen ilmakehässä olevaa happea sen sijaan että kaikki avaruuteen nousemisen aikana käytettävä happi kuljetettaisiin raketin mukana.
Moottori tekisi ainakin periaatteessa avaruuteen lentämisestä niin yksinkertaista, että liikennettä Maan ja kiertoradan välillä voitaisiin hoitaa avaruuslentokoneilla. Ne voisivat lentää lähes nykyisten liikennelentokoneiden tapaan, eli nousta uudelleen ilmaan tankkaamisen ja pikaisen teknisen tarkastuksen jälkeen.
Viime vuosina moottorin kehityksestä on vastannut Bondin perustama Reaction Engines -yhtiö, joka testasi vuonna 2012 moottorin kriittisintä osaa, hypersoonisessa nopeudessa moottorin sisälle tulevaa kuumaa ilmaa salamannopeasti jäähdyttävää laitteistoa. Temppu ei ole helppo, sillä paitsi että ilmavirran lämpötila pitää saada laskettua sekunnin sadasosassa noin 1000°C:stä -150 celsiusasteen pakkaseen, pitää tämän tapahtua jatkuvasti, tasaisesti ja ilman, että moottorin sisälle syntyy toimintaa haittaavaa jäätä.
Jää moottorin sisällä saattaa olla myös vaarallista ja saada aikaan moottorin räjähtämisen.
Esijäähdyttimen testit tehtiin jo Euroopan avaruusjärjestön pienen apurahan turvin, mutta nyt ESA sijoittaa hankkeeseen 10 miljoonaa euroa lisää. Tämän lisäksi Iso-Britannian avaruustoimisto rahoittaa moottorin kehittämistä 50 miljoonalla punnalla. Nykykurssilla tämä on noin 60 miljoonaa euroa.
Tänään Farnborough'n ilmailunäyttelyssä allekirjoitetun rahoitussopimuksen tuloksena moottorista on tarkoitus saada toimiva mallikappale vuoteen 2020 mennessä.
Moottorin avulla tullaan testaamaan periaatteen toimintaa vain maan pinnalla, eli sitä ei ole tarkoitus asentaa rakettiin tai minkäänlaiseen avaruuslentokoneeseen. Tärkeintä onkin selvittää ennen lopullisen kaltaisen moottorin tekemistä periaatteen toimiminen; tähän mennessä tehtyjen testien ja teoreettisten mallinnusten mukaan moottori toimii, mutta sen periaate on niin mullistava, että sitä halutaan testata kunnolla ennen kalliin lentokelpoisen moottorin tekemistä.
Jos moottori toimii, voisi eurooppalainen tietotaito tehdä avaruusliikenteestä vallankumouksellisen edullista ja kätevää. Se olisi uuden ajan alku koko ihmiskunnalle.
Reaction Engines on suunnitellut jo moottoria käyttävän Skylon-avaruuslentokoneen, jonka tekeminen voisi onnistua varsin nopeastikin moottorin kehittämisen jälkeen. Tällaisilla avaruuslentokoneilla voitaisiin lentää kiertoradalle ja takaisin jo kymmenen vuoden kuluttua.
Mahdollisesti avaruusliikenteen mullistava brittiläinen avaruuslentokoneidea on askeleen lähempänä toteutumistaan, kun BAE Systems -yhtiö on tulossa mukaan aluksen voimanlähteenä olevan moottorin kehittämiseen.
Yhdessä aikaisemmin saadun rahoituksen kanssa Skylon-suunnitelma on muuttumassa vuosikymmenten matelun jälkeen todeksi. Ja voisi sanoa, että viimein, sillä nykyinen tapa lähettää satelliitteja avaruuteen on typerä.
Nykyiset raketit ovat antiikkisia
Kantoraketit ovat kertakäyttöisiä ja suunnitteillakin olevilla tekniikoilla vain osia niistä saadaan talteen ja käytettäväksi uudelleen. Sama kuin ajaisi autolla Turkuun ja heittäisi sen matkan lopuksi Aurajokeen.
Avaruussukkula oli alkuperäisien suunnitelmien mukaisesti kätevä avaruuslentokone, jolla olisi voinut lentää avaruuteen lähes kuin lentokoneella Tukholmaan, mutta käytännössä sukkuloiden lennättäminen oli kalliimpaa ja hankalampaa kuin kertakäyttöisten rakettien tekeminen.
Piirustuslaudoilla tosin on ollut jo vuosikymmenien ajan erilaisia uusia avaruuslentokoneideoita, mutta ne eivät ole menneet juurikaan eteenpäin.
Suurin ongelma on se, että avaruuteen tavaraa lähetettäessä tarvitaan niin paljon polttoainetta ja hapetinta, että matkaan lähtevässä kantoraketissa hyötykuorman osuus on vain parin prosentin verran. Silloinkin kaikesta ylimääräisestä raketin massasta pitää päästä eroon jo lennon kuluessa; siksi raketit tehdään vaiheista, jotka pudotetaan pois niiden toiminnan päätyttyä.
Skylon tulee kuvaan
Britti-insinööri Alan Bond (ei sukua 007:lle) keksi jo 1980-luvulla miten avaruuslentokone voisi toimia periaatteessa. Hän kehitti Bob Parkinsonin kanssa HOTOL-nimisen (Horizontal Take-off and Landing) avaruuslentokoneen, joka käyttäisi hyväkseen ilmakehässä olevaa happea sen sijaan että alus kantaisi nestemäistä happea mukanaan.
HOTOL oli hyvä suunnitelma, mutta se jäi paperille. Brittihallitus ei ollut siitä kiinnostunut – kuten ei tuolloin ollut juuri lainkaan avaruusasioista – ja siten mikään kaupallinen ilmailu- ja avaruusalalla toimiva yhtiökään antanut sille rahaa.
Bond kuitenkin jatkoi uutterasti ideansa kehittämistä, ja muutti sen isommaksi, kaksimoottoriseksi versioksi. Hän perusti Reaction Engines -yhtiön, jonka pääasiallinen tehtävä oli kehittää pienten apurahojen turvin Sabre-moottoria ja sitä käyttävää Skylon-avaruuslentokonetta.
Viimein vuonna 2005 Bond alettiin ottaa vakavammin, ja Reaction Engines pääsi mukaan Euroopan unionin ja Euroopan tutkimusrahaston LAPCAT-hankkeeseen, jonka tarkoituksena oli tutkia mahdollisuuksia rakentaa suurinopeuslentokone.
Tuollaisella avaruuden kautta koukkaavalla moninkertaisella äänen nopeudella lentävällä koneella voisi lentää keskisestä Euroopasta Australiaan 4,5 tunnissa ja matka Atlantin yli kestäisi vain kaksituntia.
Bondin moottorin avulla se ei olisi vain mahdollista, vaan myös taloudellisesti kannattavaa - mutta vain teoriassa.
Siksi moottoria piti päästä testaamaan. Nyt myös brittihallitus innostui ja suostui rahoittamaan Euroopan avaruusjärjestön kanssa kokeen, missä testattiin moottorin olennaisinta osaa, ilmaa lennon aikana jäähdyttävää laitteistoa.
Sen jälkeen yhtiö on saanut ensin 72 miljoonaa euroa kokonaisen toimivan moottorin tekemiseen ja testaamiseen, ja nyt siis brittien ilmailu- ja avaruusylpeys BAE Systems -yhtiö on tulossa mukaan. Yhtiö aikoo ostaa 20% Reaction Engines -yhtiöstä ja käyttää kaupassa siirtyvät 29 miljoonaa euroa moottorin kehittämiseen
Olennaisinta on jäähdytin
Sabre on omalaatuinen rakettimoottori, joka käyttää polttoaineenaan nestemäistä vetyä, mutta voi käyttää perinteisestä rakettimoottorista poiketen hapettimena nestemäisen hapen lisäksi paineilmaa.
Moottori imee matalilla lentonopeuksilla ahtimella ilmaa ja annostelee sitä sopivasti rakettimoottoriin, mutta lähellä ja yli äänen nopeuden se alkaa jäähdyttää suuren nopeuden vuoksi voimakkaasti kuumenevaa ilmaa polttoaineena käytettävän nestemäisen vedyn avulla.
Nestevedyn lämpötila on noin −253°C, joten sen avulla erityinen esijäähdytin voi viilentää jopa tuhat astetta kuumaa ilmaa siten, että ilmaa voidaan syöttää kompressoriin ja edelleen ahtaa rakettimoottoriin.
Moottori toimii tähän tapaan ilmakehässä, kun lentonopeus on vielä alle 5 Machia, eli viisinkertaisen äänen nopeuden. Sen jälkeen kone on normaalin lentoprofiilin mukaan niin korkealla ilmakehässä, että ilmaa ei ole enää riittävästi ahdettavaksi. Siksi siellä moottoriin aletaan syöttää aluksessa mukana olevaa nestemäistä happea.
Temppu säästää kuitenkin niin paljon nestehappea, että laukaisu avaruuteen avaruuslentokoneella on mahdollista. Lisäksi tästä on se hyvä puoli, että lentokonemaisen aluksen lento voidaan keskeyttää helposti mahdollisessa vikatilanteessa ja yrittää uudelleen.
Skylonilla avaruuteen 2020-luvulla?
Olennaisinta on luonnollisesti saada nyt moottori toimimaan, mutta samalla Reaction Engines ja Bond ovat jo alkaneet suunnitella tarkemmin Skylonia.
Lopullisia suunnitelmia ei luonnollisesti ole vielä ja tie oikean avauuslentokoneen tekemiseen on varmasti mutkikkaampi kuin nyt oletetaan, mutta suunnitelma on hieno: pitkässä ja hoikassa Skylon-aluksessa on kaksi Sabre-moottoria asennettuna lyhyiden siipien päähän, ja periaatteessa alus voisi viedä jopa 15 tonnia painavan lastin noin 300 km korkealle kiertodadalle.
Se voisi myös hakea rikkoontuneita satelliitteja takaisin Maahan tai käydä korjaamassa sekä tankkaamassa niitä avaruudessa.
Alukseen 13 metriä pitkään ja noin 5 metriä leveään rahtiruumaan voisi laittaa myös astronauteille sopivan moduulin. Kaavailuissa ruumassa voisi olla jopa 30 henkilöä, joko avaruusasemalle meneviä astronautteja tai avaruusmatkalle nousevia turisteja.
Bondin mukaan yhtä alusta voisi käyttää ainakin 200 kertaa, ja Skylonien tekeminen olisi lähes yhtä helppoa kun lentokoneiden tekeminen, joten niitä voitaisiin ottaa liikenteeseen paljonkin. Kenties jopa lentoyhtiöt voisivat alkaa käyttää niitä.
Skylonin avulla matka avaruuteen olisi teoriassa 50 kertaa nykyistä edullisempaa.
Skylonin teknisiä tietoja
Pituus: 83,3 m
Siipien kärkiväli: 25,4 m
Rungon halkaisija: 6,75 m
Massa tyhjänä: 53 000 kg
Suurin lentoonlähtömassa: 345 000 kg
Moottorit: 2 × Sabre
Työntövoima: 2 x 1 350 kN
Suurin lentonopeus ilmaa käyttäen: Mach 5,5
Suurin lentokorkeus lentokoneena: 26 000 m
Suurin hyötykuorma matalalle kiertoradalle: 15 000 kg
Suurin matkustajamäärä (rahtitilassa olevassa kapselissa): 30
