Tuolla Musk-ketjussa arvatenkin keskustelu ajautui Mars-matkoihin. Avasin siellä jo jotain, mutta ajattelin, että avaan ajatuksiani aiheesta täällä vähän tarkemmin ja erityisesti tästä asiasta:
Sitten jotain vertailua:
1. Kiertorata: ISS on kiertoradalla ja tarjoaa meille kaikkein parhaan nykytiedon siitä, kuinka ihminen pidetään hengissä avaruudessa. ISS on saavutettavissa Maan pinnalta noin parhaimmillaan 45 minuutissa, vaikka käytännössä kaikki ISS:lle matkanneet avaruusalukset ovatkin käyttäneet lähestymiseen muutamia vuorokausia turvallisuussyistä. ISS:ltä saadaan hätätapauksessa ihmiset alas lähes välittömästi, olettaen että laskeutumiseen tarvittu alus on telakoituneena asemaan. ISS:ää on huolettu säännöllisillä lennoilla koko se aika, mitä se on ollut olemassa.
2. Kuu: Laukaisuikkuna Maan pinnalta ja kiertoradalta Kuuhun on avoinna noin 90 minuutin välein. Matka kestää viitisen vuorokautta per suunta. Kuuhun voidaan laskeutua ja sieltä nousta "mopoilla", kuten Apollo-lentojen kuumodulilla (LEM) ja sen osana olleella nousualuksella (Ascension Module), kts.
en.wikipedia.org
3. Mars: Laukaisuikkuna Maasta Marsiin (ja takaisin) on avoinna noin kahden vuoden välein. Matka kestää noin 9 kk. Marsiin on laskettu luotaimia, mutta vielä sieltä ei olla noustu takaisin avaruuteen. Tällaisia missioita on kyllä ollut suunnitteilla, joissa Marsista palautetaan näytteitä Maapallolla analysoitavaksi. Sekä laskeutuminen että nousu ovat kertaluokkaa vaativampia kuin Kuuhun, johtuen Marsin omasta painovoimasta ja kaasukehästä. Marsista on sanottu sellaistakin, että se on yksi ongelmallisimpia paikkoja laskeutua: sillä on kaasukehä, jota ei voi jättää huomiotta, mutta se on liian ohut toimiakseen hyvänä jarruna.
- - -
Mitä meiltä siis puuttuu Mars-matkaa ajatellen?
1. Tarvitaan lähes itsenäisesti toimiva elämää ylläpitävä avaruusasema. Jo Kuu-asema on vaikeasti suoraan Maapallolta huollettavissa, Mars-aseman suhteen se on käytännössä mahdotonta: täydennyksiä voidaan tuoda noin 2 vuoden välein, ja käytännössä huoltotarve on tiedettävä paljon etukäteen, koska aluksella kestää lähes vuosi saapua paikalle. Aseman on tuotettava ruoka ja happi, sen on tuotettava energiaa, ja sen on tuotettava ainakin kaikkein tärkeimmät varaosansa itse. Ihmisen kannalta olisi myös hyvä, että se sisältää tarpeelliset lääketieteelliset fasiliteetit, koska asemalta ihmisiä saadaan Maapallolle hoitoon todella heikosti.
Puhutaan paljon ISRU:sta, In Situ Resource Utilization eli paikanpäällä olevien raaka-aineiden hyödyntämisestä. Jo 70-luvulla tultiin tulokseen, ettei pysyvästi miehitettyä asemaa saada Kuun pinnalle ilman Kuu-materiaalien käyttöä - tulee vain yksinkertaisesti liian raskaaksi tukea asemaa Maapallolta käsin.
ISRU:
In situ resource utilization - Wikipedia
2. Mitä todennäköisimmin tarvitaan tapa nostaa materiaalia (ihmisiä) Marsin pinnalta. Tähän on kaavailtu sellaista, että raketti toimii metaanilla ja hapella, ja tämä valmistetaan Marsissa (kaasukehän hiilidioksidista).
3. Tarvitaan tapa laskea tuollainen asema, paluuraketti ja metaanintuotantolaitos Marsin pinnalle. Tähän saakka Marsin pinnalle on laskettu luotaimia.
4. Tarvitaan raketti, jolla tuo paketti viedään Marsin kiertoradalle (eli saadaan ensin Marsiin vievälle radalle ja saadaan jarrutettua Marsin kiertoradalle).
Tästä kokonaiskuvasta meillä on käytännössä testattua teknologiaa vain pieniä, hajanaisia osia. Näistä kaikkein haasteellisin on tuo ykköskohta, itsenäisesti toimiva, ihmistä elossa pitävä asema. Se, minkä kokoinen siitä tulee, vaikuttaa rajusti siihen, kuinka haastavaksi miehitetty Mars-lento tulee: mitä enemmän Marsiin pitää vielä tavaraa asemaa varten, sen suuremmaksi hanke kasvaa täällä lähtöpäässä (eksponentiaalisesti). Jokainen kilo, joka käytetään tuossa listauksessa kohtiin 1-3, kertautuu hankkeen kustannuksina täällä lähtöpäässä, ja silti hanke on iso riskihanke: mikä tahansa epäonnistuminen lähes missä vaiheessa tahansa (lähtö, kiertoradalle asettuminen, laskeutuminen, ihmisen ylläpito) romuttaa koko hankkeen (eli tuloksena on kuolleita ihmisiä ja hankkeen epäonnistuminen).
Kun Yhdysvallat lennätti ihmisiä Kuuhun 70-luvun taitteessa, niin se poiki valtavasti kirjallisuutta siitä, että kuinka Kuuhun voitaisiin perustaa pysyvä tukikohta. Tästä aiheesta on olemassa tuhansia ja taas tuhansia sivuja spekulaatiota, tutkimusta ja muuta vastaavaa.
Kaikki tuon ajan ja sen jälkeen tulleet spekulaatiot tulevat yhteen johtopäätökseen: avaruussiirtokuntaa ei voi loputtomasti tukea Maapallolta, vaan sen on oltava omillaan toimeen tuleva (self sufficient). Muussa tapauksessa homma ei yksinkertaisesti toimi - asema jää samankaltaiseksi etäpesäkkeeksi kuin vaikkapa Antarktisen tutkimusasemat, jonne kerran vuodessa tuodaan miehistö ja tälle ruokatarpeet ja varaosat. Avaruuden olosuhteissa tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että tuodaan säännöllisesti paikalle uusi kertakäyttöinen asema.
Se, mitä Marsiin ja osittain myös Kuuhun tarvitaan, on nk. "itsensä kopioiva kone" eli self-replicating machine eli von Neumannin kone.
Nyt tämä saa ihmiset yleensä huudahtamaan, että "c'mon, Euro71, aivosi ovat pehmenneet, ei me nyt ihan tuon kertaluokan ongelmasta puhuta". Mutta ihmiset, jotka näin sanovat, eivät ehkä ole tarpeeksi hyvin perillä siitä, mitä replikointi teknisesti tarkoittaa ja että mikä se ongelma avaruudessa asumisessa on.
- - -
Ensin pari sanaa teoriasta. Von Neumann puuhasi soluautomaattien (cellular automata) parissa, ja esitteli pari mielenkiintoista teoreettista konetta: von Neumannin Turing-täydellisen tietokoneen (Turing complete a.k.a. computational universal)(*) sekä nk. "universal machinen". Homma perustuu siihen, että on Turing-täydellinen tietokone sekä universaali manipulaattori, jota tuo tietokone ohjaa. Turing-täydellisyyteen liittyy sellainen elementti, että sellainen tietokone voi generoida millaisen tahansa sarjan symboleja (tämä liittyy Alan Turingin laskettavuuden teoriaan), joten manipulaattorille on generoitavissa mikä tahansa ohjaussekvenssi, ja koska manipulaattori on universaali, se pystyy rakentamaan minkä tahansa koneen. Von Neumann esitti, että hänen universaalin koneensa peruspiirteisiin kuuluu se, että se pystyy rakentamaan kopion itsestään, joten itsensä kopioivia koneita sanotaan von Neumannin koneiksi. Myöhemmin mm. Shannon et al todistivat, että itsensä kopioiminen on von Neumannin koneiden piirre, mutta koneen ei tarvitse olla von Neumannin kone kyetäkseen kopioimaan itsensä.
(*) Kuriositeettina: Meidän tietokoneissamme CPU noudattelee osapuilleen von Neumannin arkkitehtuuria.
- - -
Itsestään kopion rakentavan fyysinen koneen tekeminen kuulostaa ensi alkuun tosi vaativalta ongelmalta, suorastaan rekursiiviselta eli ongelmalta, joka toistaa itseään loputtomiin: jokainen osa, jonka lisäät, tarvitsee koneen jonka tuon tuottaa, ja tuo kone tarvitsee prosessin, joka tuottaa tuon koneen lisäämään sen osan. Mutta meillä on aiheesta kuitenkin fysikaalisesti realisoituja kappaleita eli esimerkiksi bakteereita ja soluja, joten tiedämme, että sellaisen rakentaminen on oikeasti mahdollista - rekursio on mahdollista katkaista!
Reunaehto rakennelman kompleksisuudelle onkin seuraava: mistä raaka-aineista koneen pitää rakentaa itsestään kopio? Olen aikanaan asiaa tutkiessa nähnyt videon, jossa on neljästä osasta koostuva robotti. Robotti osaa koota näitä neljää erilaista osasta yhteen, ja saa rakennettua itsestään kopion.
Itsensä kopioivien koneiden rakentaminen on siis täysin mahdollista. Miksi Mars- tai Kuu-siirtokunta tarvitsee tällaisen ominaisuuden? Siksi, koska itsensä kopioiminen on edellytys sille, että siirtokunta on itsenäinen (self sufficient) - se pystyy itse tuottamaan kaiken, mitä tarvitsee. Von Neumannin teoreettisen koneen eräs piirre on se, että se toki pystyy rakentamaan kopion itsestään, mutta sen ei ole pakko tehdä sitä (toisin kuin esim. Shannonin koneet, jotka pystyvät vain kopioimaan itsensä).
Eräs tällainen kone, joka kykenee samaan, on meidän teollinen infrastruktuuri. Se pystyy paitsi tuottamaan varaosansa tehtaisiinsa, myös rakentamaan ne koneet, joilla infraa rakennetaan, ja se pystyy rakentamaan kaikenlaista muutakin. Ja nyt kun mietitte, että millaisista lähtökohdista se on rakennettu, niin vastaus on about oksista ja kivityökaluista. Toisin kuin Shannonin koneeseen, niin von Neumannin koneen perusperiaatteisiin kuuluu se, että vaikka se voi rakentaa itsestään kopion, se pystyy muuhunkin.
Se mitä itsenäisille siirtokunnille kaivataan, on juuri tällainen paketti, joka pystyy toimimaan teollisen infrastruktuurin "siemenenä", von Neumannin koneena, joka pystyy paitsi paikkaamaan omat häiriönsä (rikkoutumiset yms) että myös laajentamaan toimintaansa.
Koska ette kuitenkaan usko pelkästään minua, niin NASA:ssa tämä asia on tunnettu kauan. Tässä yksi kalvosetti aiheesta:
Tässä pitkä dokumentti samasta aiheesta vuodelta 1982:
- - -
Musk puhuu paljon kantorakettiteknologiasta eli siitä, paljonko saadaan kerrallaan tavaraa kiertoradalle ja paljonko saadaan ihmisiä TMI:lle eli Marsiin johtavalle radalle (TMI, Trans-Mars Injection, se ratamuutos, joka vie Marsiin). Sillä on tietysti väliä, koska ihan pienissä sirpaleissa ihmisiä ja heidän tarvitsemiaan "matkatavaroita" (jotka pitävät heidät hengissä Marsissa) ei käytännössä voi lähettää.
Toinen Mars-intoilijoiden porukka puhuu paljon matka-ajasta. Uskon, että jokainen asiaa seurannut on törmännyt sellaisiin spekulaatioihin kuin että "Marsiin neljässä viikossa ydinraketilla" tai vastaavaa. Tällä ei sinänsä ole mielestäni kovin paljoa merkitystä - laukaisuikkuna silti pysyy about siinä 2.2 vuodessa, eli vaikka paikalle päästäisiin nopeammin, niin huoltoaluksia ei silti tule useammin. Lisäksi on kaikkein todennäköisintä, että parantunutta moottoriteknologiaa käytetään kuorman kasvattamiseen, ei sen saamiseen nopeammin perille.
Matka-ajalla tai lastin koolla ei kuitenkaan ole isossa kuvassa isoa merkitystä. Suurin merkitys on sillä, että minkä kokoinen tuosta itsenäisesti toimivasta asemasta tulee meidän nykyisellä teknologisella tasolla? Marsin tai Kuun pinnalla aseman olisi pystyttävä osapuilleen tuottamaan itsestään kopio näiden taivaankappaleiden ympäristössä: Kuussa regoliitissa, Marsissa mars-perästä ja sen ohuesta kaasukehästä.
Nykyisellä teknologian tasolla tuosta "paketista" tulee yksinkertaisesti niin valtavan raskas kaikkine kaivoskoneineen ja muineen, että Falcon Super Heavy ja Starship käyvät melko vaatimattomiksi. Starship saattaa pystyä kuljettamaan 100 ihmistä Marsin kiertoradalle, mutta meille on aika merkityksetöntä se, jos Marsin pinnalla on 100 kappaletta kuollutta lihaa kuivumassa.
En muista millä palstalla ja kenelle nauroin, mutta kun hän esitti, että Red Dragon -kapselilla saadaan neljä ihmistä Marsin pinnalle, niin vastasin, että pienemmälläkin aluksella saadaan neljä sianruhoa läjähtämään Marsin pintaan. Tämä liittyi sellaiseen väittelyyn, jossa sanoin, että kyllä ihmisen saa nykytekniikallakin Marsin pinnalle, jos ei tarvitse välittää siitä, että missä kunnossa tuo ihminen on: ihmislihaa voi ampua Marsiin pintaan tömähtävälle radalle aika pienelläkin raketilla. Ihminen voi olla hengissä vielä nousun ajan, muttei enää lennossa eikä sitten "lithobraking" -vaiheessa, jossa alus rysähtää Marsin pintaan. Todennäköisesti tuloksena on paistuneita lihakimpaleita jonkinlaisen kraaterin ympärille levinneenä.
Jos ihminen aiotaan saada elävänä Marsin pinnalle ja vielä pitää elossa siellä, niin ongelma on paljon mutkikkaampi: ihmisen täytyisi selvitä elävänä matkasta, laskeutumisesta ja elää sitten vielä pinnallakin jonkun aikaa.
- - -
Kantorakettiteknologialla on siis oma merkityksensä asiassa, mutta vielä suurempi merkitys on sillä teknologialla, joka pystyy pitämään ihmiset elossa vierailla taivaankappaleilla ilman liiallista huoltamista. Kuten sanottu, about jokainen 70-luvulla Kuun kolonisointia tutkinut ihminen tuli siihen tulokseen, että sitä ei voi toteuttaa niin, että asemat ovat Maasta huollettuja, vaan niiden täytyy olla monin osin itsenäisiä eli pystyä rakentamaan omia varaosiaan paikallisista materiaaleista ja paikallisin energialähtein. Tässä asiassa SpaceX ja Starship ei auta vielä ollenkaan.
arstechnica.com
