LEO on lühend ingliskeelsest terminist ’low Earth orbit’ ehk madal Maa orbiit. Ükskõik kui kaugele minna, tuleb astuda esimene samm. Kui me räägime kosmose hõlvamisest, tuleb kõigepealt Maalt välja saada – LEO-le.
Eelmine kord kirjutasin kosmosesõja praktilistest aspektidest – sellest, mida reaalselt kujutavad endast eri riikide nn kosmoseväed, ja (pigem puudutasin) kuidas kosmos sellist „igapäevast“ sõjapidamist mõjutab.
Eks ole, me elame maailmas, kus ühelt poolt mainitud USSF (USA kosmosejõud) maadlesid esimesed kaks aastat probleemidega, kuidas liita erinevatest organisatsioonidest kokku toodud osakonnad, mis tegelesid näiteks stardiplatvormide riigihangetega, sellal kui Põhja-Korea sussitab oma pommikestega ja üritab kokku panna raketti, mis viiks selle kuhugi, kus see ameeriklasi praktiliselt huvitama hakkaks.
Tahaksin rõhutada, et see viimane sobib konteksti kahel põhjusel: 1. ei erine raketi saatmine teisele poolkerale enam väga oluliselt selle saatmisest orbiidile, ja 2. kui Põhja-Korea-taoline nuriajusid täis peldik suudab tuumarelva ja raketid kokku panna, suudaks seda tegelikult ka Eesti. Muidugi mitte praeguse valitsuse all. Võib-olla tõesti üldse ei suuda – sest rahvas, kes kuus korda järjest astub sama reha peale – ehk valib end juhtima puurotid, kes valimiskastide sulgudes viskavad valimisprogrammi prügikasti ja hakkavad omadele eeliseid sebima –, on kardetavasti elujõulise sotsiaalpoliitilise kehandi mõttes juba olemast lakanud.
Ilma irooniata, tõsiselt – Eesti vähemalt üritab midagi teha. Sokutab oma kuubikuid raketipeale, mõõdab midagi ja üritab selles mõttes tasemel olla, et saab vähemalt aru, mis toimub. Tõepoolest, mis raketisüsteemidesse puutub, siis oma kanderakette ei hakka väikeriigid tõepoolest ettenähtavas tulevikus kokku panema. Ja nukraks tagasi – olen soovitanud kätt proovida jõukohasema ülesandega – panna kokku õhutõrjerakette, millega suudaksime ise Eesti taeva puhta hoida. Et kasumlik, kasulik ja saadab orkidel õige sõnumi. Aga – lugege eelmise lõigu viimast lauset...
Igatahes – inimkond on väljumas ühe planeedi piirest. Vähemalt selle intelligentsem ja teotahtelisem osa. Tulevik on ainult neil, kes sellega kaasa lähevad.
Palju maksab äraminek Maalt?
Lapsepõlves unistasin ma kah kosmonaudiks saamisest. Aga selleks pidi tollal olema eriliselt sportlik ja lisaks alamõõduline käblakas. Eks ole, kogukas olen ma alati olnud, nii et tundus, et mind rakett küll üles ei vea; no ja nüüd on juba aastad ka kogunenud. Mis sest, et nõuded on terve mu eluaja lahjenenud. Pole küll saabunud ajad, nagu lootis näiteks A. C. Clarke (ja mida saab lugeda-näha ta 1960-ndatel ilmunud raamatutes-filmides), et üles võib minna praktiliselt igaüks, aga jah, palju puudu ei ole.
Tegelikult nalja siin pole, praktiliselt kõige tähtsam asi tänaste kosmoselendude juures on ühe kilogrammi üleslennutamise hind.
Selles mõttes on väga heaks illustratsiooniks Apollo Kuu-lennud. Saturn V on Tallinna Olümpia hotelli kõrgune jurakas stardikaaluga 3000 tonni. See kapsel, millega astronaudid lõpuks alla tulid, kaalub 3 tonni. Vahe on TUHANDEKORDNE. Kõik ülejäänu läks kaduma.
Lihtsuse huvides vaatleme kõigepealt LEO-le viimise hinda. See on kõige levinum asi, mida me täna kosmoses teeme – paneme midagi ümber Maa tiirlema nii paarisaja kilomeetri kõrgusele.
Kosmos algab, muide, nn Karmani joonest, mis on kokkuleppeliselt 100 km maailmamere pinnast. Mingit reaalset füüsilist üleminekut seal pole, atmosfääril pole ju mingit kindlat lõppu, see lihtsalt hõreneb kogu aeg ja kusagilt sealt alates võib rääkida orbiidil püsimisest. Kasvõi natuke – esimesed kosmoselennud toimusid nii 150-200 km kõrgusel ja ISS (rahvusvaheline kosmosejaam) on tõstetud üle 400 km lihtsalt sellepärast, et näiteks 200 km peal sa võid ju sadakond tiiru teha, aga sajaks tuhandeks on targem minna kõrgemale. Või teisiti öeldes on inimeste ja koli vedamine natuke kõrgemale odavam kui 450 tonnisele kolakale aastakümneid mootoritega hoogu juurde anda.
1960-70-ndatel kehtis selline empiiriline rusikareegel – mehitatud kosmoselend maksab miljardi. Loomulikult oli see äärmiselt ligikaudne ja silmas tuleb veel pidada, et reaalseid andmeid oli ainult USA kohta. NL-s oli kõik muidugi salastatud, aga kuigi ohutusnõuded olid madalamad ja surmasaamisprotsent kõrgem (lendudest teatati just sellepärast tagantjärele) ei saanud see põhimõtteliselt väga palju odavam olla; isegi vaatamata sellele, et venelased varastasid enam-vähem kõik, st hoidsid tohutult kokku uuringute, väljatöötamise ja katsetamise pealt, sest varastamine ei ole ka täiesti tasuta ja lõpuks tuleb ju midagi kokku ja tööle panna – et kas sa ikka „õige asja“ varastasid ja üldse oskad sellega midagi peale hakata; venelastel puudus ka kogu toetav tööstus, st kõik keerukamad pulgad, mida varastada ei andnud, tuli kusagil salastatud töökodades põlve otsas valmis nikerdada.
Vahemärkus – see ei ole põhjendusteta negativism, vaid tõsiasjade nentimine, ja see, et seda ikka kiputakse unustama, ei ütle midagi head meie intellekti kohta: venelased ei ole mitte kunagi mitte midagi ise leiutanud. Või noh, lõssenkism oli vist viimane... Jah, nad on varastatud leiutisi teinekord üsna kavalalt tööle pannud. Jah, nende teoreetilised teadustööd on teinekord maailmatasemel (osaliselt on nad teoorias tugevad, sest praktikaga tegeleda ei saa). Jah, teinekord teevad nad midagi päris nutikat. Aga kogu nõukogude liidu ja hiljem vene teadustöö käis (ja käib siiamaale) nii, et „kusagilt tulid“ mingid lääne vidinad ja siis püüti neid järele teha.
Tagasi kosmoselendude hinna juurde – nende esimeste lendude kilogrammi-hinna tabeleid otseselt ei ole, kirjanduses esineb määratlus „väga kõrge“. Kuid lihtsalt selleks, et suurusjärke hoomata, siis maandurid kaalusid reeglina paar tonni ja seega on kilogrammi ülesviimise hind seal 200–500 tuhande dollari ümber.
Pisut rohkem on andmeid USA kosmosesüstikute ajast. See on omaette pikk, piinarikas ja sünge lugu, mis sai NASA programmidest pärast Kuulendude lõppu; kosmosesüstik kui süsteem oli igas mõttes väga halb ja õnnetu. Ei suutnud allikat leida, aga mul on meeles kunagi loetud iseloomustus, et kui raketindusega seotud ala üliõpilane esitaks oma tööna kosmosesüstiku kavandi, visataks ta ülikoolist välja.
Igatahes maksis iga kosmosesüstiku lend (tänapäeva hindades) 1,5 miljardit. Ehk see oli ülemõistuse kallis. Süstikuga orbiidile viidud kilogramm maksis alguses umbes 100 000$, hiljem aina vähem. 1981. a oli see 85 000$ ja 1995. a 26 000$. (Kordan igaks juhuks, et need on hinnangud!)
Kosmosesüstikud lendasid 1981–2011. Pärast seda... algas konkurents. 2010-ndate teisel poolel maksis kilogrammi ülesviimine ühekordse raketiga 6000–10 000$ (sic!).
Siin on muidugi tuhandeid faktoreid (alates sellest, kas sa viid üles inimesi või kaupa etc). NASA andmetel maksis (kg LEO-le) Atlas V-ga (2016. a andmed) 5685$ ja Elon Muski Falconiga (2017. a andmed) 1891$. Saagem aru, et sellised täpsed numbrid on olemuselt mõttetud, oluline on silme ees hoida, et 70-ndate 100 000-st, sai sajandi lõpuks 25 000, teisel kümnendil 10 000 ja nüüd 2000$. Võtmesõna on siin arusaadavalt taaskasutus.
Töötatakse selle nimel, et saada see hind veel allapoole, sinna 100$ kanti. Jah, räägitakse isegi mõnekümnest dollarist, kuid see on ebareaalne (igaks juhuks – tänase tehnoloogiaga) – see oleks ainuüksi kütuse hind. Võrdluseks: 1 kg lennutamine teisele poole maakera maksab 3–8$ (pisipakid kuni 20$, aga noh, see pole oluline, keskmine cargo hind on 4–6$). Selleks vajalik energia on ligikaudu nii 1–3MJ, orbiidile minekuks vajalik energia on 30–35MJ.
Selle osa kokkuvõtteks: 1 kg Eestist New Yorki – ca 5$; 1kg Eestist orbiidile – ca 2000$.
ISP
Tegelikult tuleks see kirjutada ISP, ’sp’ indeksina all, aga kuna kunagi ei saanud arvutid selle nn subscriptiga hakkama ja tegelikult ei saa tänaseni päris arvestatav osa veebilehtede-brauserite kombinatsioone, on seda kombeks kirjutada nii nagu pealkirjas.
ISP ehk eriimpulss mõõdab kütusest saadavat veojõudu. Seda kasutatakse eri mootoritüüpide puhul erinevalt ja raketiteaduses jagatakse see standardgravitatsiooniga läbi ja saadakse tulemus sekundites (ISP=F/(m*g0); sisuliselt on see aeg, mille jooksul mootor suudab 1 kg kütuse abil tekitada 1 kgf tõukejõudu). Seega, kui füüsikaliselt täpne olla, siis allpool ei kasuta ma näidetes mitte ISP-d ennast, vaid kütuse väljavoolamise kiirust (mis on meetrites sekundis ja ISP-st numbriliselt 9,8067 korda suurem).
Kütuse väljavoolamise kiirus ei saa keemist kütust kasutaval mootoril olla eriti üle 4 km/s – muidu hakkab mootor sulama. Ja see on füüsikaline piirang, millest üle põhimõtteliselt ei saa ja kuni me lendame keemilise kütusega, jääb see klaaslaeks. Eks ole, väljavoolamise kiirus on otseselt seotud temperatuuriga. On tehtud mootoreid, mis töötavad vaid 15 kraadi (sic!) alla sulamispunkti.
(IPS on tänapäeva rakettmootoritel vaakumis kuni 465s (4,55km/s) ja see on üsna ülemine piir; kambrirõhk on seal 200–300 bari (atmosfääri) kandis ja temperatuur 3300–3500 kraadi, mis omakorda on võimalik ainult seetõttu (ka parimad materjalid sulavad seal 1500 juures), et kambriseinu jahutatakse aktiivselt sellesama kütusega.)
Ja sellest tulenevad mõned suhted, mis pisut lihtsustatult näevad välja nii:
Kui sa kulutad seda 4 km/s väljuvat kütust raketi massiga võrdse koguse, saavutab rakett kiiruse 2 km/s ja kasutatud kütus liigub sama kiiresti vastassuunas (jah, sa ei kasuta kütust korraga, esinevad kaod ja nii edasi, kuid kordan, vaatame asja pisut lihtsustatult).
Et kiirust veel kaks korda tõsta, peab kütust olema 3/4 raketi massist.
Et saavutada esimene kosmiline kiirus 8 km/s (tegelikult on see natuke väiksem; ISS näiteks liigub maapinna suhtes keskmiselt 7,66 km/s, aga sul on vaja saavutada ju ka kõrgus), peaks ideaaljuhul olema sul kütust raketi kaalust 7/8.
Seega, arvestades kadusid ja kõike muud, tuleb kütust kulutada umbes kümme korda rohkem orbiidile jõudvast kaalust.
Ja vaadake kütusehindu – seega võiks paarkümmend dollarit orbiidile viidud kilogrammi eest tulla jutuks üldse ainult siis, kui raketikütus vabastataks aktsiisist...
(Et keegi tõsiselt ei võtaks – rakett ei sõida bensiiniga ja kaasas peab olema ka hapendaja, sest atmosfääriõhku ju pole, ja selle hinnad ja säilitamine on ikka hoopis üks teine maailm...)
Muide, atmosfäärilennukid saavad nii odavalt ja nii kaugele lennata seetõttu, et kui hakata arvutama nende ISP-d, tuleks see 30 ligi. Võimalik on see arusaadavalt seetõttu, et atmosfäärilennukid „petavad“ – kasutavad atmosfääriõhku.
Reisijad
Järgmiseks tuleb aru saada, et eelpool toodud hinnad ei „tõlku“ mitte kuidagi otseselt „piletihinnaks“, astronaudi ülesviimise hinnaks. Selleks on mitu põhjust, alates intuitiivselt mõistetavatest, et talle tuleb õhk, toit ja peldik ka kaasa anda, ja edasi ei tohi unustada, et sa ju ei saada teda puhkama, ikka nagu tahaks, et ta seal midagi kasulikku teeks.
Tegeledes natuke elementaarmatemaatikaga (igaks juhuks, kes minu matemaatikaoskustesse kahtlevalt suhtuvad – ma ei ole esimene, seda on enne mind sadu kordi tehtud), saame süstikupileti hinnaks, ühe astronaudi kosmosesviibimise hinnaks 200–250 M$.
Pärast osteti kohti Roscosmoselt. Osteti enne ka, siis oli piletihind 20–25 M$, pärast süstikute käigustminekut keerasid venelased muidugi hinna mitmekordseks, alguses oli see 56 M$, hiljem 86 M$. (Mis aga ikkagi oli odavam kui süstikuga!)
Täna kipub selle Crew Dragoniga lendamise kulu olema pisut üle 50 M$.
Ma proovisin teha arvutusi, et mis oleks astronaudi ülesviimise hind, kui kg maksaks näiteks 1000$. (Proovisin, muide, ka Chatgpt abi, aga see hakkas ikka täiesti segast peksma...). Tulemus kipub kinnitama eelmistest arvutustest läbi kumavat tõdemust, et astronaut „kaalub“ ca 3 tonni ja muide, aja jooksul on astronaudid rasvunud (tõsisemalt – kosmoselendude alguses oli vähem mugavusi ja katseaparatuuri ja lennud olid lühemad, päris alguses proovitigi ju, et kuidas inimene seal üldse vastu peab; unustada ei tohi sedagi, et selle hinna sees on treening ja kõik ohutusega seotu). Aga ka 1000-ga tuleb lennu hinnaks mingi 5–10 M$.
Järgmistes artiklites kavatsen vaadelda lähemalt siit edasimineku võimalusi (mis kõik taanduvad nii või teisiti tuumaenergiale), seni aga läheksime selle teemaga lõpuni.
Ja siin pole palju minna, see on ummiktee. Sest –
Mida LEO-l teha?
Kosmoses tehakse põhimõtteliselt kolme asja: 1. jälgitakse Maad ja vahendatakse sidet, 2. tehakse igasuguseid katseid, mis nõuavad vaakumit ja-või kaalutust, ja 3. vaadatakse-uuritakse, kuidas inimene seal vastu peab.
Esimene neist on juba puhas äri (kui antud kontekstis jätta kõrvale militaaraspektid) ja kui välja arvata uurimine-katsetamine, tegelevad sellega masinad.
Ka teise saab suuremas osas automatiseerida, st sellega tegelevad robotid või saab automaatika Maalt korraldusi. Ütleme nii, et kui välja arvata katsed inimese endaga (3.), lennutatakse astronaute ISS-i ikkagi peamiselt sellepärast, et robotid ei saa täna ega ilmselt ka lähematel aastakümnetel veel päris üksi hakkama.
Nagu eespool sai mainitud, on kosmoselendude odavnemise võtmeks korduvkasutus. Kulunud, aastakümneid kasutatud näide, aga kujutletagu lennureisi hinda, kui iga kord visatakse sihtkohas reisijad langevarjuga välja ja lennuk lastakse puruks kukkuda.
Kui korraks veel tulla tagasi nende õnnetute USA kosmosesüstikute juurde, siis need olid 60-ndate tehnoloogia, mis läks aastatega paberites hapuks. See oli esimestes kavandites hoopis teistsugune ja päris mõistlik süsteem, mis bürokraatia ja lõputute „kokkuhoidmiste“ tõttu muutus naeruväärselt kohmakaks ja kalliks. Jah, need olid korduvkasutatavad, kuid kütusepaak ja tahkekütuskiirendid ei olnud, ja kui lugeda kokku kõik, kes tegelesid süstikutega (st kogu ahel, mitte ainult NASA töötajad ju), tuli maksta palka umbes sajale tuhandele inimesele.
Kui me võtame ka praeguse ülesviimishinna ca 2000$/kg, suudaks tegelikult ka Eesti sinna päris uhke klaveri tiirlema panna. Jääb ainult küsimus – milleks? Ilma irooniata – uurimine-avastamine on tore ja kahtlemata tuleb seda teha kasvõi selleks, ajud hapnema ei läheks ja püsiks mõistmine, mida teised teevad. Hulga helgem oleks, kui sellest midagi tagasi hakkaks tulema.
Aga mis? Side? Ei tasu. USA kõige rohkem, aga ka venelased, hiinlased, EU, hindud ja nii edasi on aastakümneid lennutanud üles sadu miljoneid maksvaid kärakaid, mis selle tööga, st maise side vahendamisega, suurepäraselt hakkama saavad. Sama kehtib kogu IT kohta – kuni arvutid ise kosmoses (kusagil Kuul näiteks, kus on materjale) ei paljune, on odavam kõike Maal teha.
Keemia ja esmajoones bioloogilised uuringud? Hulga lubavam suund. On hulk asju, mida oleks orbiidil hea teha – paraku on siin takistuseks olnud seesama ränk ülesveohind, ja aja jooksul on õpitud suuremat hulka vajalikke asju tegema Maal. Võib-olla alati mitte nii hästi, kuid veelkord, sellest ei tule midagi, kuni lennuhind oluliselt ei lange.
Kõik muu huvitava ja vajaliku jätaksin kõrvale, muidu ei saa see jutt iial otsa ja fookus kaob. Selle jutu mõte on, et kosmoses peituvad tohutud, kujuteldamatud rikkused. Küsimus on vaid selles, kuidas neid kätte saada. Päikesesüsteemis on kõike, mida hädasti vajame, küsimus on vaid selles, et me ei suuda seda täna veel mõistliku aja ja kulutustega kasutada.
Kui madalale võib ülesveohind langeda ja mida see kaasa toob?
Õige palju räägitakse ülesveohinnaeesmärgist 100$/kg (Elon Musk ise, siis Aerospace ja lõpuks on see selline akadeemiline mõõdik).
Asetame küsimuse nii, et kas tulevad näiteks orbitaalhotellid?
Sellise hotelli, ütleme, nädalane külastus kipub ikkagi maksma 300 000$. (See on minu arvutus, sama tulemuse annab seniste astronautide lennu hindade ekstrapoleerimine ja läbikorrutamine eelmainitud astronaudi „reaalkaaluga“.) See on nii suur sellepärast, et kõik, absoluutselt kõik tuleb Maalt kaasa vedada. Ükskõik, kuhu sa Maal lähed, on vähemalt vesi kohapeal olemas ja väljaheidetega no ei ole ju reaalset probleemi. Ja Antaktikas talvitujatele veetakse suurem osa varustust kohale lennucargost veel omakorda kümme korda odavama laevaga.
Ehk – mingit massilist orbitaalturismi selle hinnataseme juures ei tule.
Ent – jutu algusse tagasi – ükskõik, kuhu sa kosmoses tahad minna, tuleb kõigepealt jõuda LEO-le. Ja LEO-lt ei saa edasi keemiliste rakettidega. See peaks eelnevast välja tulema, kuid kordame üle – ülesveetavast kümme korda rohkem kaalub kütus. Kui sa tahad Kuule minna, siis spetsialiseeritud tehnika ja taaskasutatavate aparaatidega tuleb suhe parem kui esimeste Kuulendude üks tuhandele, kuid ikkagi on see keeruline ja kallis. Marsilennu puhul on kõik suhted taas suurusjärgu halvemad, kõik palju riskantsem ja kallim. Ma olen pessimistidega selles osas nõus, et kui me jääme sussitama oma keemiliste rakettidega, jääb LEO-l käimine kurioosumiks ja üle ühe-kahe „demo“-Marsilennu ei tule iial.
Ülesveohinna langemine on tore, kuid see üksi ei tähenda midagi.
Tulevik on tuumamootorid.