Pihunühkerdamisest
Niisiis jõuab inimkond Kuule...
... kui jõuab.
Mulle meeldis see pilapilt, kuidas Trump istub arvuti ees ja mingi AI pajatab: „... Jah, ma tõepoolest unustasin arvesse võtta Hormuzi väina sulgemist. Räägime millestki muust...“
Antud juhul pole lugu ei selles, et LLM-il põhinevad mölamasinad on ummiktee (st ei jõua iial AI-ni selle sõna tegelikus, mitte investoritelt raha väljameelitamiseks sobivas haip-tähenduses) ega Matrixi filmi kaudu meemiks saanud tõdemuses, et inimkonna tipp oli aastatuhandevahetusel, edasi tuli degeneratsioon. Apollo mooduli juhtarvuti oli sagedusega 1MHz, sel oli 2kB RAM-i ja 72kB ROM-i. Tänapäeval on kordades rohkem arvutusvõimsust wi-fi-juhitavas lambipirnis ja autovõtmetes, rääkimata kohvimasinast või digitaalsest termostaadist. Ehk – arvutustehnika taha kosmose hõivamine küll ei jää.
Twitteri kõrgajal sõnastati see nii – tahtsime lendavaid autosid, saime 144 tähemärki (Peter Thiel). Nüüd? Me tahtsime, et AI teeks meie eest kodutöid, selle asemel tõestame robotitele, et me ei ole robotid... Me tahtsime orbitaallinnu, saime röstrid, mis ei rösti, kui tarkvara pole uuendatud... Või ilma irooniata – eks ole, kui masin, milles on vähem arvutusvõimsust kui mõnes laulvas postkaardis, viis meid Kuule, siis kus on tehtud viga, et mõnedelt parameetritelt MILJARD korda võimsamad arvutid (olgu, taktsagedustelt mõned tuhanded) ei tee muud, kui soovitavad sulle videosid, kuidas kass laualt maha kukub?
Veel võimsustest
Toome siia kõrvale rakettide võimsused; need ei ole päris üheselt võrreldavad, sest stardisüsteemid on natuke erineva loogikaga: SpaceX Starship 74–75MN (meganewtonit), N1 ~45MN (venelaste Kuurakett, mis kordagi õnnestunult ei startinud...), SLS 37–39MN (Space Shuttle), Saturn V ~34MN, Energia ~35MN (see, mis Burani üles viis ja Polyust üles viia proovis), Falcon 9 ~7,6 MN (sellega viiakse üles Crew Dragon), Proton M ~10 MN, Soyus-2 ~4,2MN. Võrdluseks: V-2 ~0,25MN.)
(Teoreetiliselt LEO-le viidavad tonnid tõin ära ka eelmises artiklis: Starship 100–150, Saturn V ~140, SLS ~95, Energia ~100.)
Ja võttes võimsus P ≈ 0,5F · ve (F – veojõud, ve – kütuse väljumiskiirus) saame rakettide võimsused GW-des (gigavattides, ligikaudu): Starship 120, Saturn V 60, SLS 45, Proton 15-20, Falcon 9 13–15, Soyus 7–8. Võrdluseks: selline keskmine tuumaelektrijaam 1, Eesti tarbitav koguvõimsus 0,8–1,3, suured hüdroelektrijaamad 15–20, kogu inimkonna elektritootmine 3000, inimkonna kogu energiatootmine 20 000.
Järgneva jaoks on siin kasulik kusagil mälusopis hoida, et raske raketi stardil kulutatav koguenergia on võrreldav väikese tuumapommi omaga (neil raskematel siiski alla 10kt TNT), ent inimkonna tarbitavast koguenergiast on see üsna märkamatu murdosa.
LEO – vahejaam
Aatomienergia on juba täna kõige odavam ja puhtam energialiik. Kalliks on selle ajanud rohereptiilid oma debiilse kiljumisega – tuumareaktorid on ehitatud nii, et kaksiktornide-laadne rünnak tähendaks rusude koristamist ja fassaadi ülevärvimist. Laskumata siinkohal vaidlusse selle üle, kas millekski on hea kasutada 50mm terasplaati seal, kus piisaks 5-st, või valada 5m raudbetooni sinna, kus piisaks poolest (ja kas poleks lihtsam f*** terroristid lihtsalt mättasse lüüa... aga see läheb artikli teemast juba liiga kaugele), on ikkagi praktiliselt ilmselt targem panna kosmoseraketi tuumamootorid kokku seal, kuhu patoloogilised viriseja piketeerima ei pääse – LEO-l.
Mõtleme veel korra läbi ka selle Tsiolkovski ajas pärit loogika, kuidas keemilise raketiga kosmosse lennata (orbiidile tõusta), täpsemalt, miks seda tehakse mitmeastmeliste rakettidega. Konstantin Tsiolkovski, 1857–1935, käsitles esimesena teaduslikult rakettide kasutamist lennuks väljapoole Maad oma 1903. aastal ilmunud töös «Исследование мировых пространств реактивными приборами» („Maailmaruumide uurimine reaktiivsete seadmete abil“); seal tuletas ta ka valemid, mida tutvustasin esimestes artiklites – mis seovad raketi kiiruse gaaside voolukiirusega ja sealt edasi raketi ja kütuse massiga. Referentsiks – vendade Wrightide esimese motoriseeritud lennuni oli artikli ilmumise ajal veel mõni kuu, radiatsioon oli avastatud kõigest mõne aasta eest...
Niisiis sa paned maapinnalt üles liikuma juraka, millest orbiidile jõuab heal juhul kümnendik, enamasti palju vähem. Rakettmootoritel on küll võimsuse-kaalu suhe päris hea, nii 60–70 (ehk mootor suudab tõsta 60–70-kordse enda raskuse), kuid sedamööda, kuidas sa kütust ära kulutad, töötavad need järjest väiksema võimsusega, muidu muutuks kiirendus inimesele talumatuks. Kuivõrd (või niikaua kui) kanderakett lastakse niikuinii puruks kukkuda, tuleb otstarbekam kasutada mitut astet, millest iga järgmine on eelmisest paar korda väiksem-kergem (koos mootoritega visatakse minema ju ka tühjad kütusepaagid).
Falcon 9 + Crew Dragon – kahe vahel on veel Merlini rakett. Falcon 9 veab ca 70km-le ja annab kiiruse 2–2,5km/s . Siis eraldub, tõuseb veel poole kõrgemale (ligikaudu loomulikult!) ja kukub alla tagasi, käivitab mootorid ja maandub, reeglina automaatsele praamile kusagil paarisaja kilomeetri kaugusel meres. Edasi teeb suurema töö Merlin, annab kiiruse 7,7–7,8km/s. Ja sealt edasi lendab Crew Dragon – või täpsem oleks öelda, et manööverdab end ISS-iga kohtuma, sest siin me räägime paarisajast meetrist sekundis. Tähelepanelikum lugeja juba tabas ära – kui Falcon 9 ja Crew Dragon on taaskasutatavad (ongi teinud mitukümmend lendu), siis suurema töö tegija, Merlin, lastakse puruks kukkuda... (Ärgem laskem end petta näiteks massist – Falcon 9 [või kui keegi soovib, siis esimene aste] on niipalju raskem, et taaskasutusprotsent tuleb päris hea :-D )
Aga peamine: Falcon 9 stardikaal on seal 550 tonni ümber. Crew Dragon, kui see ISS-i juurde jõuab, kaalub 12–13 tonni – ehk umbes 3% stardikaalust...
Falcon 9 ja Saturn V esimese astme tööloogika on sarnane, üldiselt visatakse see ära varem – STS-i kiirendid nii 45 km peal nii 1,5km/s juures, teistel enamasti seal 40–60 vahel ja umbes sarnastel kiirustel, st alla 2km/s; esineb muidugi ka süsteeme, kus kiirused kõrgused on suuremad, kuni 3km/s, ja pildi ajab segaseks veel igasuguste külgbuusterite minemaviskamine*, aga üldpilti see ei muuda – saavutatakse nii viiendik kuni kolmandik LEO-le-tõusmiseks vajalikust.
(*Viktoriiniküsimus: mis asi on Korolevi rist? See on omane vene R-7 rakettidele, seega suuremale osale vene kosmoselendudest, Sputnikust Soyus-2-ni, ja tekib, kui ca 45 km kõrgusel visatakse ära lisabuusterid.)
Kogu selle viimase jutu mõte oli:
Jõuaks, kurat, ükskord vähemalt taaskasutuseni!
Arvestades senist maailmapraktikat võib ette näha senise põhikontseptsiooni jätkumist; mida muidugi võidakse kombineerida igasuguste lisavidinatega. Ehk siis esimeseks tõstab mingi asi kosmosesõiduki ~60–70 km kõrgusele ja annab sellele kiiruse ~2,5km/s. Nagu ma juba kirjutasin, viib sinna kosmosesõiduki Falcon 9, sinna oleks süstiku viinud algne Space Shuttle suur kandesüstik ja enam-vähem sinnakanti viivad järgmise astme ka kõik teised. Miks? Lihtne füüsika – ära on kulutatud suurem osa kütusest ja sõiduk on tõstetud atmosfäärist välja; seoses taaskasutusega tugevdab neid punkte kolmas – tagasipöördumine sealt pole veel meeletu peavalu.
Siin tuleks ära õiendada, et omal ajal läks see Shuttle’i tiibadega esimene aste arvutuslikult mitmetuhandetonniseks, sest vaja oleks olnud lisaks tiibadele atmosfäärimootoreid, telikut, kuumakilpi, meeskonnasüsteeme ja loomulikult hulka kütust. Tänapäeval saaks meeskonnata ja kuigi atmosfäärimootorite ISP on kordades suurem, on eelis vaieldav (st miks mitte kasutada peamootoreid, praktiliselt küll üht neist). Telikut ja mingit kuumakaitset on taaskasutuse puhul niikuinii vaja. Lihtsustatult öeldes – maha on võetud sõjaväe nõue, et kandja oleks pärast tankimist kohe kasutatav (mis oli tollal ebareaalne; see, palju oleks reaalselt vaja kütust tagasilennuks pärast orbiidimooduli eraldumist, ja palju annaks planeerida, on omaette huvitav küsimus, kuid jätame praegu).
Igatahes – tiibadega või ilma, esimene aste on umbes selline ilmselt pikka aega, võib-olla keemiliste rakettide ajastu lõpuni.
Edasi:
Esimene võimalus oleks algne Space Shuttle’i – suurte sisemiste kütusepaakidega ja üsna võimsate mootoritega kosmosesõiduk. Veelkord – tiibadega või ilma. Tiivad lubavad natuke planeerida, st kui lennurajale laskumine on oluline, tähendavad need olulist kütuse kokkuhoidu. Vaadake, lõpuks valminud, see igatpidi kohitsetud ja natuke lombakas STS viskas üles jõudes tühja kütusepaagi ära ja edasi olid peamootorid lihtsalt raskus – kütust nende jaoks ei olnud. Üleval toimetas ja laskumiseks pidurdas see hüpergoolkütust (monometüülhüdrasiin ja lämmastiktetraoksiid) kasutavate abimootorite abil, mis olid ligikaudu sada korda nõrgemad peamootorist, nii et kui neil ka kütust pisut järele jäi, olid need kaugel allpool atmosfääris manööverdamise võimaldamisest, ja seega oli süstikul üks ja ainult üks võimalus tervelt alla jõuda.
Jah (kerge irooniaga), palju annab juurde, kui lihtsalt merre plärtsatada seal, kus juhtub. Või olgu, läbi on need ajad, kui Scott Carpenter oma Mercury-Atlas 7-ga maandus 400 km ettenähtud kohast – kuigi merreplärtsatamisala on igaks juhuks kümmekond kilomeetrit, maanduvad Crew Dragonid hämmastavalt täpselt, paarisaja meetri raadiuses. Ka näiteks Kuumooduli tagasipöördumisel oli viga mõne kilomeetri juures ja muide, ka (langevarjude ja viimaste sekundite pidurdusraketiga) maale maanduvad Soyusid „eksivad“ reeglina vähem kui mõne kilomeetriga.
Sellise süsteemi näide on SpaceX’i Starship – kui see lõpuks tööle hakkab.
Teine oleks tänase Falcon 9 + Crew Dragon laadne, ainult selle vahega, et Merlin Vacuum „jääb elu“. Sest, ruunates veelkord seda korra kasutatud süllogismi – kujutlege lennureisi hinda ka juhul, kui ka kõigest üks mootor lastakse puruks kukkuda. Miks seda tehakse? Sest ükskõik, kas teine aste viib 100–150 km kõrgusele ja annab 5 km/s, või päris orbiidile ja annab vajaliku 7,7–7,8 km/s, on sealt alla tagasi tulek üsna täismõõduline atmosfääripidurdusega maandumine. Ja kuigi enne sai Falcon 9 puhul mainitud kuumakilpi, siis vahe on umbes nagu T-särgil ja talvejopel. Nii et kui sa tahad 4 inimest ISS-i viia (ja taas, inimene kipub „kaaluma“ 3 tonni...), tähendab see teise astme (siis Merlinilaadse, aga tagasipöördumisvõimekusega) jaoks, et lisanduv kuumakilp ja lõpliku pidurduse kütus muudab selle vähemalt 30–50% raskemaks (sest lisandub ju selle ülesvedamiseks vajaliku kütuse ja pisut võimsama mootori kaal; Merlin Vacuum mootor ise on tegelikult kõigest 4 tonni, maandumisvõimeline läheks vähemalt 2x raskemaks; 2. astme stardikaal on 107t ja vaja oleks mingi neljandiku-viiendiku jagu rohkem kütust) ja sama juhtub esimese astmega – ehk siis mitte 550t, vaid vähemalt 750–800T.
No ja eelmises artiklis ma maisin sellist kombineeritud võimalust, mis mingis mõttes kvalifitseeruks kolmandaks – et kütusepaak on disainitud nii, et seda saab millekski kasutada, näiteks muuta see orbitaaljaama lisa(elu-kauba)ruumiks.
(Igaks juhuks kordan, sest edaspidi muutub see veel olulisemaks – arvutused on minu tehtud ja üsna ligikaudsed, kuid lähevad kokku tõsisemate tegelastega (sh NASA) hinnangutega; ma olen päris palju füüsikat õppinud ja aastakümneid lugenud-arvutanud, et mu enda lood vähemalt sellistes asjades teadusliku võimalikkuse piiresse jääksid.)
Lõpuks – Kuu ja aatomimootorid
Ja esimeseks tuleb sirgeks rääkida üks
Terminoloogiline segadus.
See, mida tuumamootor tagant välja ajab, ei ole „kütus“ (fuel) selle sõna täpses tähenduses; eksitakse ka ingliskeelses kirjanduses, kuigi näiteks allpool toodud DRACO projektis kasutatakse nimetust propellant. „Kütus“ on põlemisel rohkesti soojusenergiat andev aine, kütteaine (EKSS, 2009). „Propellent“ on keemiliselt inertne vedelik, mida kasutatakse täiteainena aerosooliballoonides (EKI ühendsõnastik 2026, Sõnaveebi kaudu) – ehk tegemist on kööbaka ülevõtuga, kuivõrd propellant/propellent inglise keeles tähendab „midagi, mis liigutab, näiteks: a: lõhkeaine mürskude väljapaiskamiseks, b: kütus koos oksüdeerijaga, mida kasutab rakettmootor, c: gaas, mida hoitakse rõhu all pudelis või purgis sisu väljastamiseks rõhu vabanemisel“ (Merriam-Webster dictionary).
Seega – see, mida tuumamootor „tagant“, düüsidest välja ajab, on propellent.
Tagasi teemasse
Tuumamootorite/-rakettide puhul me räägime algusest peale kahest täiesti erinevast kontseptsioonist – kas tuumamootoritega lennatakse kosmoses või tõustakse Maalt.
Räägime alustuseks ära Maalt tõusva tuumaraketi, kuigi see tuleb tõenäoliselt hiljem – et selgitada, miks see tuleb hiljem, või teistpidi, miks selle konstrueerimine on tunduvalt raskem. NTR-i (Nuclear Thermal Rocket) põhimõtted ja ajalugu on lühidalt ära toodud ka Wikis.
Vastus on tegelikult elementaarne – radiatsioon. Tahke tuumaga NTR – edasipidi SC-NTR – saadi juba 60-ndatel tööle ja olemuselt on see üsna lihtne – propellent pumbatakse otse läbi reaktori ja see ühtlasi jahutab seda. ISP on umbes 2–2,5 korda suurem kui keemilist kütust kasutades. Mootori tõstevõime kaalu suhe saadi nii 1:7 (meenutagem, et keemilisel raketil on see 1:60–70, uuematel üle saja). Väljuvad gaasid on kergelt radioaktiivsed, kuid määral, mis 60-ndatel pani õlgu kehitama; nojah, hiljem on rohereptiilid normid taevasse kiununud, nii et vahepeal on seda tüüpi mootor muutunud ohtlikuks... Väga palju paremaks need mootorid minna ei saa, sest ette tuleb ikka seesama materjalide kuumataluvus – reaktor töötab sulamise piiril ja edasi pole siit kuhugi minna.
(Ma ei hakka siin kogu arvutuskäiku ära tooma, seda enam, et html-is valemite äratoomine on asi, kus mu laiskus pidurit tõmbab :-P ; m0/mf=e\Dv/(ISP · g0), kus m0 – stardimass, mf – lõppmass, g0 – Maa gravitatsioon, Dv – kiiruse muutus ja \ tähistab (antud juhul e) astmenäitajat. Asja mõte on, et ISP suurendamisel 2x ei vähene vajalik kütus mitte 2x, vaid eksponentsiaalselt, vastavalt valitud ISP väärtustele näiteks Maa orbiidile jõudmisel ISP tõusul ~400-lt ~800-le ~5x.
Kuid arvestades mootori tõstevõimet, siis isegi kui sul pole vaja mitte 9/10 vaid 2/3 kütust... no ei ole raske mõista, et asi ei kipu ära tasuma. Täpsustuseks veel, et siis, kui NERVA programm suleti 1972, oli tõstevõime suhe 1:3,5, ehk see värgendus poleks tegelikult suutnudki orbiidile tõusta. Kui programm oleks jätkunud, tundub väga tõenäoline, et inimkonnal oleks korduvkasutatav [üheastmeline, tervikuna startiv ja tagasi pöörduv] tuumasüstik, aga jah – algas stagnatsioon ja degeneratsioon...)
Teine võimalus oleks kahekontuuriline gaastuumaga reaktor, kus propellenti kuumutatakse kiirgusega läbi kvartsi (näiteks), kuid ütleme lühidalt, et see vajab töötamiseks materjale, mis täna kuuluvad fantaasia valda.
Seega keskendume natuke aega areguvõimalusele, kus Maalt orbiidile tõustakse keemiliste rakettidega, edasi toimetatakse tuumajõul. Me – inimkond – olime sellele juba tegelikult väga lähedal – DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) pidi lendama juba 2027. a... aga siis valisid jänkid end juhtima apelsinipeaga klouni, kes praktikas on väga palju teinud risti vastupidiselt lubadusele – teinud Ameerikat väikeseks. Tööd tuumamootoriga raketi kallal katkestati. Ja see on see koht, kus muud ei jää üle, kui hiinlastele pöialt hoida – et korduks ajalugu selles mõttes, nagu venelased kolmveerand sajandi eest andsid lehmapoistele ikka mõnusalt valusa laksu nendesamuste pihta, mispeale riigi tasemel ilmnesid teatud inimest kui sellist iseloomustava ajutegevuse tunnused ja noh, käidi Kuul ära...
Ikkagi lennatakse kõigepealt ilmselt nendesamade (põhimõtteliselt) 60-ndatel väljatöötatud mootoritega. Ah et 1960–70-ndatest on keemilised raketid väga palju edasi arenenud? No pöörame selle teistpidi, ilmselt lähevad ka NTR-id kiiresti paremateks, kui nendega natukegi praktiliselt tegeletakse. Kordame, me ei saa SC-NTR-i lõpmatuseni paremaks, sest selle arengul on ees seesama põhimõtteline lagi, mis keemilistel – materjalide kuumataluvus – mis tähendab, et ISP ei tõuse üle 1000. Ent kogu konstruktsiooni on võimalik optimeerida ja kui massi-veojõu suhe on juba üle 10, on selline rakett Kuu ja isegi Marsi uurimiseks juba täiesti kasutatav.
Muidugi on propellendiprobleem ja siin toome sisse mõned oletustega, mis juba väljuvad praeguste inimteadmiste piiridest – eeldame, et Kuult leitakse jääd.
Või taas samm tagasi, et teha üks asi selgeks – sellise SC-NTR-i võimekust piirab propellent. Kütuses, näiteks uraanis, on energiat paarkümmend miljonit korda rohkem kui keemilises kütuses. Propellendiks atmosfääriõhku kasutavad SC-NTR-id, kasvõi venelaste Burevestniku või kunagine ameeriklaste Pluto (SC-NTR-lennukimootor) võiksid keemiliste rakettide minutite asemel töötada võrreldava võimsusega põhimõtteliselt, KUID...
...Kuu liustikud on väikesed.
On enam-vähem kindel, et midagi seal Kuu poolustel, eriti lõunapoolusel, igavesti varjus olevates kraatrites on – mitmed missioonid on avastanud vesinikujälgi, veejälgi ja radaripildid viitavad vett sisaldavatel materjalidele-kihtidele. Kui palju seda on? Konservatiivsed hinnangud on 10^12kg (10 astmes 12, eks ole), mis on miljard tonni/kuupmeetrit, ehk üks kuupkilomeeter – mis on kõigest Võrtsjärvetäis (~0,8 km3). Julgemad panevad ühe nulli juurde – Peipsitäis (noh, Peipsi on tegelikult 25 km3) – aga siis on juttu pigem pinna-alusest regoliidist, milles on jääd, jää enda maht on ka kõige optimistlikumates hinnangutes ikkagi alla 100 km3.
Seda on sitax (Pardon my French) vähe võrreldes Maaga (suurim mageveejärv Baikal 23 600, järgmine, Victoria 2400, Ladoga 840, Kaspia meri 78 000, Balti meri 550 000, üldse maa ookeanid 1,33 miljardit kuupkilomeetrit). Lubatagu kasutada ühe oma ulmejutu jaoks tehtud arvutust – juttu oli Veenusele ookeanide tekitamisest ja selleks pommitati seda umbes kuupkilomeetriste jääkuulidega ja selleks et saada Maast vähem, ümmarguselt miljard kuupkilomeetrit vett, pidid sellised kuulid kukkuma üks sekundis 32 aasta vältel.
Kui Kuubaas kasutaks seda vett ettevaatlikult, nii 1000 m3 aastas, jätkuks seda miljoniks aastaks. Muidugi – kui kasutada ettevaatlikult – EU statistika ütleb, et keskmine EU majapidamine kasutab aastas 204 m3.
Pilt muutub muidugi kohe, kui seda vett hakatakse kasutama raketipropellendiks. Tunnistan, et lisaks ise arvutamisele kasutasin kahe erineva AI abi, kuid tulemus oli ligikaudu sarnane: kui me eeldame, et iga nädal stardib umbes tuhandetonnine laev Kuult LEO-le ja teeb seda sellise „mõõduka“ lõppkiirusega 6 km/s (mille puhul peab propellenti olema umbes pool laeva massist), jätkuks kuupkilomeetrist veest ligikaudu pooleks tuhandeks aastaks. Eksimisvõimalus on siin arusaadavalt kordades. Ent mõelge neile numbritele – see on uurimisjaam, mitte Kuulinn.
Ehk see vesi aitab paremal juhul stardist lahti saada.