Ad astra! Tähtede poole!

Motiveerituna ideest, et järgmise 100 aasta jooksul ehitatakse kosmoselaev, mis jõuab tähtedeni, koostas grupp entusiaste konkreetse kava selleni jõudmiseks.

Eelmises septemberis Maa teaduslikku edukust uurinud tulnukate kosmoselaev võis küll NASA Kennedy Kosmosekeskusele keskenduda, kuid nad oleksid ehk rohkem teada saanud, kui nad oleksid mõned sajad miilid lääne poole lennanud: Orlandos toimus  100 Aasta Kosmoselaeva (100 Year Starship Study ehk 100YSS) konverents. Seal oleksid nad näinud, et inimeste loodud kosmosetehnoloogia on küll piiratud, kuid kui nad oleksid jälginud ürituse sadu külalisi, kelle hulgas oli nii endisi astronaute kui ka insenere, kunstnikke, õpilasi ja teadusliku fantastika kirjanikke, siis oleksid nad saanud aimu inimeste seikluslikust, kangekaelsest, hullumeelsest ja isegi hämmastavast püüdest tähtede poole.

Ehk tuleneb meie soov sõna otseses mõttes kosmoselaevaga tähtedeni reisida sellest, et kauged tähed on justkui alati pakkunud kauget ja kõrget eksistentsi taset. Aristoteles nimelt asetas kinnistähed Maast (tema kosmoloogia keskpunktis) kõige kaugemale ning ülimale liikumapanevale jõule kõige lähemale. Ütlus ,,sic itur ad astra” ehk ,,nii minnakse tähtede poole,” mille pani kirja Rooma luuletaja Vergilius, viitab jumalikkuse või surematuseni jõudmisele. Teine fraas aga – ,,per aspera ad astra” ehk ,,läbi raskuste tähtedeni” – meenutab meile, et nendeni jõudmine ei ole kerge, välja arvatud ulmekirjanduses, kus tohututest vahemaadest tulenevad probleemid jäetakse kahe silma vahele.

Nüüd, kui NASA ning teised kosmoseagentuurid juba päikesesüsteemi uurivad ning avastatud on sadu kaugete tähtede ümber tiirlevaid eksoplaneete, ongi ehk õige aeg mõelda järgmisele suurele sammule väljapoole Maa atmosfääri.

,,Minna julgelt” – kuid mitte veel

100YSS oli esimene konverents, mis võimaldas ekspertide, entusiastide ning tavapubliku kogunemist ning tähtedevahelise reisimise tõsist arutlussevõtmist. Üllatusena võib tulla aga see, et üritust ei sponsoreerinud mitte NASA vaid USA Kaitseministeeriumi üks osakond – Defense Advanced Research Projects Agency ehk DARPA. DARPA toetab moodsat sõjateadust ning selle valmidus uurida näiliselt absurdseid ideid on minevikus end ära tasunud – siiski paistab kosmoselaeva ehitamine isegi DARPA laiast huviorbiidist veidi liiga kaugele ulatuvat.

Arvamust, et tähtedevahelise reisimise keerukaks osaks on inimeste ja masinate teele saatmine, võib nimetada kosmiliseks irooniaks. Tegelikult on probleemiks see, kui keeruline on liikuda läbi meie ning tähtede vahelise hiiglasliku tühimiku. Olemasolevad reaktiivajamid liigutavad kosmoselaeva kiirusega vaid 0,005% valguse kiirusest ehk kiirusega 0,00005 c. See tähendab, et Päikesele lähima tähe Alpha Centaurini jõudmiseks kuluks umbes 80 000 aastat, sest see asub meist rohkem kui nelja valgusaasta kaugusel. Võrdluseks võib tuua, et kõige kaugemale rännanud inimvalmistatud objekt – NASA kosmoselaev Voyager 1 – on alates selle stardist 1977. aastal liikunud vaid 0,002 valgusaasta kaugusele kosmosesse.

Kiirust 0,00005 c saab muidugi parandada (jäädes siiski c-st allapoole), kuid lähedaste või kaugemate tähtedeni liikuv kosmoselaev peaks oma elanikke siiski kümneid või sadu aastaid ülal pidama. Sellise miniatuurse maailma kosmosesse lennutamine või isegi lihtsalt välja arendamine nõuaks tohutut investeerimist teadusesse, materjalidesse ning inimresurssidesse. Enne, kui neisse detailidesse aga takerduda, peame me esmalt lahendama ning ületama reaktiivliikumise probleemi.

Kiiremaks

Kosmoselaev vajab rakettmootorit, mis annab efektiivselt reaktiivjõudu, sest kosmoselaev peab suure kiiruse saavutamiseks pika aja jooksul kiirenevalt liikuma.  See on aga otsene lõks: pikaajaline kiirendamine tähendab seda, et kosmoselaev peab kütust täis topitud olema – kütuse rohke mass töötab aga kiirendamisele vastu ning nii on kasutegur kokku väike. Keemilised raketid, nagu need, mis olid Saturni küljes, mis viis inimkonna kolmes etapis Kuule ning põletas petrooleumi või vedela vesiniku derivaati vedela hapnikuga, lihtsalt ei sobi. Sellised raketid annavad küll suure kiirenduse, kuid vajavad selleks suurt kogust kütust, andes kilogrammi kütuse kohta väikese edasitõuke.

Seda arutlust saab kvantitatiivselt seletada Newtoni kolmanda seaduse kuulsa variandiga, mille esitas 1903. aastal vene raketipioneer Konstantin Tsiolkovsky ning mis on seotud raketi kiiruse suhtega selle kiirendusse ning kütusehulka. Sobivaid parameetreid kasutades annab raketivalem halva tulemuse: just nagu kaamel ei saa kanda piisavalt toitu, et end kõrbes ära toita, ei saa ka rakett kanda piisavalt kütust, et pidevalt edasi liikuda ja mõistlikku c murdosa suurust kiirust arendada.

Kuluva kütuse hulga vähendamiseks uurivad raketiteadlased seega erinevaid kütuseid ning mõõdavad nende poolt antavat energia hulka kilogrammi kohta. Kõige efektiivsemaks energiaallikaks on aine-antiaine annihilatsioon, mis kõlab kui ulme ning tõepoolest ongi Star Trekis näidatava kosmoselaeva kütuseks. Selle protsessi eeliseks on see, et see annab c² kohta maksimaalse võimaliku energia-massi suhte, sest teisendab valemi E = mc² järgi ühe täielikult teiseks. Kuna me oleme tänaseks valmistanud CERNi hiiglaslikus LHC-s antiainet vaid murdosa nanogrammist, siis ei näi antiaine-ajam reaalne võimalus olevat.

Tuumakütused on aine-antiaine annihilatsioonist küll vähem efektiivsemad, kuid annavad keemiliste kütustega võrreldes siiski miljoneid kordi suurema energiatiheduse. Tuumaimpulsi reaktiivliikumise idee, mis esitati 1940ndatel, kirjeldab protsessi, milles kosmoselaev jätab enda taha tuuma- või termotuumapomme ning detoneerib need nii, et plahvatusest tulenev energia tõukaks laeva edasi. 1958. aastal töötatigi DARPA Orioni projekti raames välja massiivne sõiduk, mis oleks tuhandete termotuumapommide abil jõudnud kiiruseni 0,033 c. Väidetavalt oleks selle tolle aja tehnoloogiate abil ka ehitada saanud, kuid õnneks ennetas 1963. aastal rakendunud tuumakatsetuste keeld selle hirmutava jõumeetodi.

Termotuumajõud ning laserid

Peenem lähenemine tuli 1973. aastal Briti Planeetidevaheliselt Seltsilt (British Interplanetary Society ehk BIS) – privaatselt kosmoselennu entusiastide ühenduselt, mis asutati aastal 1933. Selle projekt Daedalus uuris termotuumareaktsiooni kasutamist reaktsioonikambris, et jõuda inimese eluea kestel tähtedeni  – seda küll mehitamata. Vabatahtlikud teadlased ja insenerid mõtlesid välja mehitamata sondi, et uurida Barnardi tähte, mis asub meist 5,9 valgusaasta kaugusel ning mille ümber arvati sel ajal tiirlevat planeet (nüüdseks on teada, et seda seal ei ole). Laeva 53 000 tonnine mass pidi koosnema peamiselt deuteeriumi ning heelium-3 kütusest ning vaid 450 tonni sellest oleks olnud kasulik koormus. Kiirusega 0,12 c oleks see oma sihtmärgini jõudnud vaid 50 aastaga.

Teine lähenemine, mis üllatuseks ei vaja mitte mingit kütust, ulatub tagasi Johannes Keplerini, kes ennustas 1619. aastal korrektselt, et valgus kallutab komeetide sabad kõrvale. Footonid saavad kosmoselaeva liigutamiseks purjeid edasi lükata, nagu demonstreeris 2010. aastal Jaapani Atmosfääri ja Kosmose Uurimise Agentuur (Japan Aerospace Exploration Agency ehk JAXA). Pärast atmosfäärist väljumist pakkis antud kosmoselaev IKAROS oma 200 m² purjed lahti ning päikesevalgus kiirendas seda (IKAROS – Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun, viide Kreeka mütoloogiast tuntud Ikarusele, kes lendas Päikesele liiga lähedale). Kuigi Päikese jõud väheneb kauguse ruuduga võrdeliselt, võiks kitsas laser või mikrolainekiir purjeid tugevamini ning kauem edasi lükata. Ühe 100YSS-il esitatud ennustuse kohaselt võiks teravati suurusjärguse võimsusega laser anda sõidukile kiiruse 0,13 c.

Neid meetodeid uuritakse pidevalt. 2009. aastal alustasid BIS ning sihtasutus Tau Zero (Tau Zero Foundation) projekti Icarus, et uuendada Daedaluse projekti, milles arutleti termotuuma-reaktiivjõu kasutamist. Siiski pole ka pärast kümneid aastaid kestnud teadustööd õnnestunud teadlastel termotuumareaktsioonist mõistlikus koguses energiat saada, kuigi laserinertsiaalne vangistus (laser inertial confinement), mida hetkel USAs NIFis (National Ignition Facility) uuritakse, paistab paljulubav. Lisaks on NIFis näidatud, et ka kiirte abil edasiliikumine (Beam-powered propulsion) on saavutatav, sest asutuse laserid on planeeritud andmaks teravattide suurusjärgus võimsust. Siiski on NIF vaid staadiumi suurune ning maksab miljardeid dollareid, mistõttu vaid sellel eesmärgil ehitatavad teravatised kiirgusallikad oleksid ülisuureks ettevõtmiseks.

Valgusest kiirem

Isegi kui need meetodid saaks võrdlemisi varsti välja töötada, siis tahaksid suuremate unistustega entusiastid saavutada 0,1 c-st suuremaid kiirusi – vahest isegi c-st kiiremaid. Kuna valgusest kiirem liikumine (faster-than-light travel ehk FTL) rikub erirelatiivsusteooria nõudeid, siis muutub võrdlemisi mõistlik reaktiivliikumise teadus siin spekulatiivseks või isegi eksootiliseks, nagu seda mõnikord kutsutakse.

Ulmekirjanduses on juba kaua erinevaid eksootilisi meetodeid kasutatud, nende seas ka nn warp drive (protsess, milles kosmoselaev kõverdab enda ümber asuvat aegruumi, et kiiresti edasi liikuda – põhimõtteliselt liigutati mitte laeva ennast vaid ruumi selle ümber, toim.), mis võimaldab teleseriaalis Star Trek valgusest kiiremat liikumist, kuid mis tegelikult oli juba varem tuntud idee. 1931. aastal kasutas John W. Campbell (kes mõjutas hiljem tugevalt ulmekirjanduse huvilisi, olles ajakirja Astounding Science Fiction toimetaja) üldrelatiivsusteooriast tuntud kõverdatud aegruumi mõistet, et võimaldada oma loos ,,Kosmosesaared” (Islands of Space) valgusest kiiremat liikumist. Selle loo kangelased lõksustavad oma kosmoselaeva kõverdatud hüperruumi, mis võimaldab sel liikuda hämmastavalt kiiresti, jõudes Alpha Centaurini vaid 12 millisekundiga.

Üldrelatiivsus pakub tõepoolest põhimõtteliselt välja viisi, kuidas valguse kiiruse piiri vältida. 1994. aastal inspireeris see Campbelli meetodile sarnast FTL lähenemist, mille autoriks on Walesi Ülikooli teoreetiline füüsik Miguel Alcubierre. Tema ideeks oli suruda kosmoselaeva ees aegruum kokku ning paisutada seda laeva taga, tekitades mulli, mis liigutab laeva edasi, rikkumata seejuures erirelatiivsust. Kuigi selle teooria matemaatiline külg on laitmatu, nõuab see võluv idee aga negatiivset massi, mis meile teadaolevalt ei eksisteeri, rääkimata üldsegi neist suurtest kogustest, mida kosmoselaeva tegeliku liikumise jaoks tarvis on.

See ning teised lähenemised vaadati üle NASA Breakthrough Propulsion Physics ehk BPP programmi raames, mis kestis 1996ndast kuni 2002. aastani ning otsis uusi viise, kuidas tähtedevahelist reisimist reaalsuseks teha. 2008. aastal ütles BPP direktor Marc Mills, et ükski läbimurre lähiajal rakendust ei leia. Kolm aastat hiljem anti Alcubierre’ ajamile, kosmilistele ussiaukudele, kvanditud inertsile ning teistele eksootilistele ideedele 100YSS-il sama hinnang: James Benford, kes oli ajamite alaste koosolekute eesistuja ja kokkuvõtja, iseloomustas neid spekulatiivseid meetodeid kui hetkel veidi liiga kättesaadamatuid. (Sama võib öelda kvantpõimumise kohta, mida esitleti 100YSS-il samuti kui potentsiaalset FTL liikumise viisi – see on praeguse teadusliku arusaamaga vastuolus.)

Terved õnnelikud inimesed

Paistab, et lähitulevikus jääme me siiski maksimaalselt 0,1 c lähedaste kiirusteni, mis annaks tähtedeni jõudmiseks väga pika aja. Seega, et tegeleda selge võimalusega, et kosmoselaeva meeskonnad peaksid selle pardal elutsema kümneid ja rohkemaidki aastaid, tehti 100YSS-il ettekandeid ka erinevatest võimalustest, kuidas inimesi pikaks ajaks sellesse ,,teraskarpi” lukustada ning ka nö inimpõlvkondadele mõeldud kosmoselaevade ehitamisest, kui see peaks vajalikuks osutuma. Nende alternatiivide hulka kuuluvad varjusurmad (ingl k suspended animation) ning mehitamata kosmoselaevad, mis suudaksid edastada ning kanda DNA-d ning teisi resursse, mida eksoplaneedile jõudes inimeste taasvalmistamiseks tarvis on.

Täisfunktsionaalsete inimeste kosmosesse saatmine, hoides neid samal ajal tervete, motiveeritute ning mõistlikena selles suletud ja isoleeritud maailmas (raadioside Maaga jääks iga edasiliigutud valgusaastaga mõlemas suunas aasta jagu maha) tõstatab mitmeid probleeme. Mõningaid neist on ennustatud ulmekirjanduses, näiteks Robert Heinleini hoiatavas loos ,,Universum,” mis ilmus 1941. aastal. Raamatu tutvustuses kirjutatakse: ,,Nende maailm oli hiiglaslik kosmoselaev, mille eesmärk ja sihtpunkt oli tähtede vahel veedetud sadade aastate jooksul kadunud.” Et muuta tingimused veelgi kohutavamaks, on raamatu kaanel pilt kahest meessoost kosmonaudist, kes paistavad küll heas füüsilises vormis ning kelle juuksedki on kenasti kammitud, kuid ühel neist on aga lausa kaks pead!

Kuigi see on liialdatud, siis on mutatsioone põhjustav ohtlik kiirgus vaid üks probleemidest, mille vastu pikaajalises kunstlikus keskkonnas võidelda tuleb. Koos ajami endaga muudaksid need kaugele reisiva kosmoselaeva planeerimise, ehitamise ja mehitamise seni kõige keerulisemaks teadusprojektiks. 100YSS-il räägiti ka sellest, kuidas sellist ettevõtmist juhtida, tegeledes küsimustega alates parima tehnoloogia leidmisest kuni rahastamiseni. Projekti alustamiseks eelistab DARPA erasektorit: organisatsioon pakub 500 000 dollarit, et arendada välja valitsusväline organisatsioon, mis püsivalt ja pikaajaliselt investeeriks erasektorist tervesse hulka teadusaladesse, mis pikamaalise kosmoserännu reaalsuseks tegemiseks olulised on.

Kas peaks või ei peaks?

Vaatamata teadusele, millest 100YSS-il räägiti, võrreldi kosmoselaeva ehitamist rohkem kui korra uhke keskaegse katedraali ehitamisega mitmete aastate jooksul. Kõige selle taga peitub ju tõepoolest lausa religioosne või spirituaalne küsimus: miks me tahame tähtedeni minna?

Mõned 100YSS esinejad nägid tõepoolest tähtedevahelises reisimises suuri vaimseid eeliseid. Nende esinejate hulka kuulus näiteks Anousheh Ansari – ärinaine ning esimene iraanlane kosmoses -, kes väitis end pärast 2006. aastal eraisikuna kosmossese reisimist täiesti muutunud olevat. Oklahoma osariigi Tulsa linna pastor Thomas Hoffmann näeb tähtedeni reisimist kui religioosse tunde viimist uude pühasse ruumi. Teised rääkisid aga moraalsest kohustusest uuesti alustada, põgenedes tööstuslikust tsivilisatsioonist, mis meie planeedi paljaks rüüstanud on, või tagavaraplaanist, mida globaalse katastroofi korral kasutada. Alati jääb muidugi alles inimloomuse see külg, mis tahab universumit uurida lihtsalt selle pärast, et see eksisteerib.

Sel romantilisel otsirännakul on küll tugev tõmme, kuid antud takistusi arvesse võttes on täiesti aus küsida, kas tähtedevaheline reisimine on tõepoolest liiga utoopiline. 100YSS külastajad olid tõelised uskujad, kuid kas ülejäänud inimkond jagab seda unistust? Et see projekt õigesse konteksti asetada, siis peaks küsima: mis vajadus või kasu veenaks erainvestoreid või valitsusi eraldama hiiglaslikke summasid, et tähtedeni jõuda? Ja seda kõike muidugi majandusliku ebakindluse oludes.

Siiski paneks kosmoselaeva ehitamine sarnaselt katedraali ehitamisele inimkonna koos ühise eesmärgi nimel tööle. Ja ehk tajuksid kadunud Steve Jobsi sarnased visionäärid miljonite inimeste soove ning annaksid neile selle, mida nad tahavad, juba enne, kui nad teavad, et nad seda tahavad – kosmoselaeva mitte iPadi. Sellised visionäärid vajaksid aga selle kohustusega kaasnevat püüet, mis asendaks sõnad ,,ad astra” hoopiski Ameerika Ühendriikide Mereväe Seabees’i (ehituspataljon, mis on tuntud oma võime poolest valmistada seda, mida vaja, rekordilise kiirusega) motoga: ,,Keerulise teeme me kohe ära, võimatu võtab veidi kauem aega.”

Allikas: “Ad astra! To the stars!“