Hyppää pääsisältöön

Mars-matkaajan rengasvalinnat: Millaisin pyörin kannattaa huristella punaisen planeetan pinnalla?

Tältä Tesla Cybertruck voisi näyttää Marsissa (kuvakäsittely).
Tältä Tesla Cybertruck voisi näyttää Marsissa (kuva käsitelty). Tältä Tesla Cybertruck voisi näyttää Marsissa (kuvakäsittely). Kuva: Nasa (taustakuva), Tesla Motors (auto), kuvankäsittely Jari Mäkinen Mars (planeetat),Elon Musk,Tesla Cybertruck

Kun Elon Musk esitteli lokakuussa Teslan uusimman tuotteen, lava-auto Cybertruckin, hän mainitsi ohimennen, että sellaisilla ajellaan aikanaan myös Marsissa. Miten on?

Sähköauto- ja avaruusyrittäjä Elon Musk käyttää mielellään SpaceX:n avaruustoimia ja omia Marsin asutushaaveitaan Tesla-autojensa markkinoinnissa, mutta Marsin kulkuvälineet ovat mainosmerkityksen lisäksi oikeasti kiinnostavia.

Kun ihmiset aikanaan laskeutuvat naapuriplaneettamme pinnalle, kannattaa heille laittaa jonkinlainen menopeli mukaan – sen avulla kun ympäristön tutkiminen käy nopeammin ja helpommin, ihan kuten kuulennoilta muistetaan.

Kolmella viimeisellä kuumatkalla astronauttien käytössä oli kuuauto, jolla he ajelivat parhaimmillaan yli 35 kilometrin verran. Vaikka kuuauto oli erittäin kevyt ja yksinkertainen, oli se kätevä. Se myös osoitti hankaluudet, jotka tulevaisuuden avaruusautoja tehdessä täytyy ottaa huomioon.

Kuussa painovoima on noin kuudesosan Maan painovoimasta. Pinta on pölyn peitossa ja monin paikoin kumpareista. Tämän vuoksi auton nopeus ei voinut olla kovinkaan suuri, muutoin auto pomppisi liikaa ja nostattaisi valtavasti leijuvaa pölyä ympärilleen. Apollo-astronautit olivat yleensä autohulluja hävittäjälentäjiä, mutta Kuussa he joutuivat hillitsemään menohimojaan.

Olennaisia asioita kuuauton suunnittelussa olivat tietysti auton alusta ja jousitus, kuten myös renkaat. Tai pyörät, sillä alusta alkaen oli selvää, että tavallisia renkaita ei kuuautoon laitettaisi.

Kuussa ei ole ilmakehää, joten ilmatäytteiset (tai kaasutäytteiset) renkaat vaatisivat maanpäällistä tukevamman rakenteen. Pumppaaminen vaatisi laitteistonsa, ja puhkeamisen riski olisi olemassa, joten maanpäälliset renkaat eivät olisi käteviä. Umpikumirenkaat olisivat liian painavia. Lisäksi kumi on myös huono materiaali avaruudessa, koska Auringon voimakas ultraviolettisäteily vaurioittaa sitä nopeasti.

Kuuauton metallinyöreistä tehty pyörä ja lokasuoja
Kuuauton pyörä. Sen päällä oleva lokasuoja oli erittäin tärkeä! Kuuauton metallinyöreistä tehty pyörä ja lokasuoja Kuva: Smithsonian Air and Space Museum Rengas,Apollo,Kuuauto

Yrityksen ja erehdyksen kautta pyörät päätettiin tehdä paksujen pianon kielten kaltaisesta metallinyöristä. Se oli kevyt ja kestävä rakenne, joka osoittautui toimivaksi ratkaisuksi. "Renkaan" ulkopintaan laitettiin vielä metallisuikaleita kitkaa lisääväksi kuvioinniksi.

Kuun jälkeen Mars

Nasa suunnittelee parhaillaan palaavansa Kuun pinnalle vuoteen 2024 mennessä. Saa nähdä, miten tuon tavoitteen kanssa käy, mutta aikanaan varmasti niin Kuussa kuin Marsissakin kaivataan kulkuvälineitä.

Vaikka Marsissa on ohut kaasukehä ja sen vetovoima on hieman Kuuta suurempi, ovat ne automielessä hyvin samankaltaisia. Kuussa toimiva menopeli toimii myös Marsissa.

Siksi kannattaa muistaa, että Marsissa on itse asiassa jo nyt neljä kulkuneuvoa. Ne ovat pieniä tutkimusroovereita, joista tosin enää yksi on tällä hetkellä toiminnassa.

Kolme Mars-kulkijaa: Sojourner, MER ja Curiosity
Kolme kulkijaa Marsin pinnalla: Sojourner (vasemmalla), MER ja Curiosity (oikealla). Kuvan Sojournerista otti sen emoalus, Pathfinder-laskeutuja. Opportunity ja Curiosity ottivat "selfiet" robottikäsivarren päässä olevan kameran kuvia yhdistelemällä. Kolme Mars-kulkijaa: Sojourner, MER ja Curiosity Kuva: Nasa/JPL Mars (planeetat),Curiosity,Opportunity,Jet Propulsion Laboratory,Sojourner

Ensimmäinen oli vuonna 1996 Mars Pathfinder -laskeutujaan piuhalla kiinnitetty pieni Sojourner, joka rullaili laskeutumispaikalla tekemässä lähituttavuutta kivien kanssa. Sen toinen tärkeä tehtävä oli testata kulkijan tekniikkaa, sillä jo samaan aikaan Nasan planeettaluotaimista vastaavassa keskuksessa, Jet Propulsion Laboratoryssä, kehitettiin suurempia kulkijoita.

Ne eivät olleet enää kauko-ohjattavan auton kokoisia, vaan ostoskärryn kokoluokkaa.

Vuonna 2003 lähetettiinkin matkaan kaksi sellaista laskeutujaa. "Marsin tutkijakulkijat", Mars Exploration Roverit Spirit ja Opportunity pääsivät perille vuoden 2004 tammikuussa – juuri näihin aikoihin 16 vuotta sitten – ja ylittivät kaikki odotukset.

Spirit kulki lähes kahdeksan kilometriä Marsin pinnalla, kunnes yhteys siihen menetettiin maaliskuussa 2010. Opportunity toimi kesäkuuhun 2018 saakka ja rullaili punaisessa maisemassa peräti 45 kilometriä.

Kulkijoiden odotettiin toimivan kolmen kuukauden ajan, joten ne osoittautuivat varsin sitkeähenkisiksi veijareiksi. Samoin niiden toivottiin kulkevan vain muutamien satojen metrien matkan, mutta niillä voitiinkin ajella varsin pitkään.

Spiritin kohtalona oli jäädä jumiin hiekkadyyniin, ja jo sitä ennen yksi sen kuudesta pyörästä oli jumiutunut. Nyt ainoa toimiva Mars-kulkija on Curiosity, jonka oikeastaan ainoa olennainen ongelma liittyy sekin pyöriin: ne ovat alkaneet haurastua.

Curiosityn pyörät alkavat hajota kovassa käytössä.
Curiosityn pyörät alkavat hajota kovassa käytössä. Pitkäikäisyydestä on harmiakin! Curiosityn pyörät alkavat hajota kovassa käytössä. Kuva: Nasa/JPL Curiosity,Mars (planeetat),Nasa

Tietysti jo kulkijoita suunniteltaessa rengasvalinnat olivat yksi tärkeä asia, mihin piti kiinnittää huomiota. Kaikki neljä Mars-kulkijaa ovatkin osoittaneet asian tärkeyden.

Ensi heinäkuussa jopa neljä luotainta on tarkoitus lähettää kohti Marsia. Niistä kaksi on pinnalle laskeutuvia kulkijoita ja kaksi laitteita, jotka asettuvat kiertoradalle Marsin ympärille. Laskeutuminen punaisen planeetan pinnalle on vaikeaa ja vaatii suurta tarkkuutta, mutta niin on myös kulkeminen Marsin pinnalla.

Metallipyörät kuivalle hiekkapinnalle

Maasto Marsissa ei ole kaikkialla samanlaista, mutta yleisesti ottaen naapuriplaneettamme pinnalla on hiekkaa ja kiviä. Jossain hiekka on tiiviimmin pakkautunutta, toisinaan se on dyyneissä olevaa irtohiekkaa. Muutamissa paikoissa on kalliota, jonka pinnalla voi ajaa.

Mars-kulkija Opporunityn pyörä Endurance-kraatterissa olevalla kivisellä pinnalla.
Mars-kulkija Opportunityn pyörä Endurance-kraatterissa olevalla kivisellä pinnalla. Mars-kulkija Opporunityn pyörä Endurance-kraatterissa olevalla kivisellä pinnalla. Kuva: Nasa Mars (planeetat),Opportunity,Mars Exploration Rover,Nasa

Pinnalla on erikokoisia kiviä, ja toisinaan niiden yli on ajettava. Siksi pyörien pitäisi pystyä nappaamaan kiinni kivipinnasta, mutta myös toimimaan hyvin hienojakoisessa hiekassa.

Napa-alueilla on myös jäätä ja lunta, mutta sinne ei kulkijoita ole lähetetty. Talviominaisuuksia ei täydy pohtia myöskään ihan seuraavien kulkijoiden kanssa.

Toisaalta olosuhteet Marsissa ovat varsin talviset näin maapallon asukkaan näkökulmasta, sillä "lämmin" kesäpäivä Marsin päiväntasaajalla voi nostaa lämpötilan pariin pakkasasteeseen, kun normaalisti ollaan parissa kymmenessä miinusasteessa. Marsin talven aikaan yölämpötila on noin -80 °C.

Opportunityn renkaanjälki hiekassa.
Paikoitellen Marsin pinta on hyvin hienojakoista hiekkaa, kuten tämä Opportunityn pyöränjälki näyttää. Opportunityn renkaanjälki hiekassa. Kuva: Nasa/JPL Mars (planeetat),Opportunity,Nasa,JPL

Kuten Kuussa, kumiset paineistetut renkaat eivät ole hyvä ajatus. Ajomukavuudellakaan ei ole niin väliä, kun taas kestävyys ja hyvä ote hiekkapinnasta ovat olennaisia. Tärkeää on pitää myös paino kurissa, sillä avaruuslaitteissa kaiken pitää olla mahdollisimman kevyttä.

Nasa on päätynyt käyttämään varsin kevytrakenteisia, onttoja metallipyöriä, joiden pinnalla on pitoa parantava kuviointi. Ensi kesänä matkaan laukaistavassa Mars 2020 -kulkijassa (joka saa piakkoin jännemmän nimen) on kuusi titaanista ja alumiinista tehtyä pyörää, joiden halkaisija on 52,5 cm. Pyörärakennetta ja pinnan kuviointia on muutettu hieman Curiosity-kulkijasta, vaikka perusolemukseltaan nämä ovat samanlaisia. Pyörien pinnassa on 48 viirumaista kohokuviointia.

Pyörien lisäksi olennaista kulkijassa on sen alustarakenne ja pyöränripustus. Nasa on käyttänyt Sojournerista alkaen hyvin samantyyppistä ratkaisua, missä kuusi pyörää on kiinnitetty eräänlaiseen tuplatelirakenteeseen. Sen avulla pyörät pysyvät lähes aina kiinni pinnassa, joka voi olla hyvinkin epätasainen.

Curiosity-kulkijan kaksoisteli
Curiosity-kulkijan kaksoisteli. Curiosity-kulkijan kaksoisteli Kuva: Nasa/JPL Curiosity,Nasa,Mars (planeetat)

Mars 2020 -kulkija pystyy myös ajamaan suoraan noin 80-senttisen kiven yli. Alusta pystyy siis hallitsemaan yli puolitoista kertaa pyörän halkaisijan kooltaan olevia esteitä.

Jokaisessa pyörässä on moottori, joten kulkija on kuusiveto. Etummaisia ja taaimmaisia pyöriä voi kutakin myös kääntää erikseen. Kulkija voi siis kääntyä käytännössä paikallaan.

Kun kulkija ajaa eteenpäin tasaisella pinnalla, missä on hyvä pito, vie yksi pyörien pyörähdys sitä 1,65 metriä eteenpäin. Teknisesti kulkija pystyy ajamaan 45° kallistuskulmassa olevaa pintaa, mutta käytännössä sillä ei ajeta yli 30° kulmassa.

Mars 2020 -kulkija koeajossa.
Mars 2020 -kulkija koeajossa Jet Propulsion Laboratoryn puhdastilassa. Pyörät ovat selvästi erilaiset kuin Curiosityssä. Mars 2020 -kulkija koeajossa. Kuva: Nasa/JPL Jet Propulsion Laboratory,Nasa,Mars (planeetat),Mars 2020

Nopeus ei näissä robottikulkijoissa ole tärkeä ominaisuus. Joka tapauksessa ne viettävät pitkiä aikoja paikallaan tutkimuksia tehden. Mars 2020:n teoreettinen huippunopeus on vain 152 metriä tunnissa, mutta yleensä mennään hitaammin. Ajoturvallisuuden lisäksi kyse on energiasta, sillä sitä ei ole käytössä rajattomasti: liikkuminen vaatii vain 200 wattia tai vähemmän.

Roveria ei kauko-ohjata Maasta, vaan se kulkee Marsissa itsekseen Maasta annettujen ohjeiden mukaisesti. Se näkee ympärilleen kameroin, se voi kiertää kiviä ja päätellä itse parhaimpia ajoratoja. Ongelmatapauksissa mönkijä jää yksinkertaisesti odottamaan Maasta lisäohjeita.

Rosalind lähtee myös Marsiin

Heinäkuussa laukaistaan matkaan myös Euroopan avaruusjärjestön ExoMars-kulkija. Laite on nimetty DNA:n selvittämisessä mukana olleen Rosalind Franklinin mukaan, ja kumppanina matkalla ovat venäläiset. Venäjä tarjoaa lennolle raketin ja laskeutujan, joka vie kulkijan Marsin pinnalle.

ExoMars-kulkija Marsin pinnalla.
ExoMars-kulkija Marsin pinnalla taiteilijan näkemänä. ExoMars-kulkija Marsin pinnalla. Kuva: ESA ExoMars,ESA,Mars (planeetat)

ExoMars on jo pitkään työn alla ollut eurooppalainen hanke, jonka ensimmäinen osa on Marsia jo kiertävä kiertolainen: se laukaistiin matkaan niin ikään venäläisellä Proton-raketilla vuonna 2016. Alun perin ExoMars-kulkijan oli tarkoitus seurata sitä vuonna 2018, mutta teknisten ongelmien vuoksi laukaisua päätettiin lykätä tähän vuoteen.

Maa ja Mars kiertävät radoillaan siten, että ne ovat lähellä toisiaan noin 1,8 vuoden välein. Marsiin kannattaa lähettää luotaimia siis vain joka toinen vuosi, ja siksi yhdestä "laukaisuikkunasta" myöhästyminen tarkoittaa parin vuoden viivytystä.

Nytkin matkaan lähdön kanssa on vielä epävarmuutta. Laskeutujan laskuvarjoilla tehdyt kokeet epäonnistuivat viime vuonna, joten niitä on nyt suunniteltu uudelleen Nasan avustuksella. Tuoreimmat testit näyttävät uusien varjojen toimivan, joten on todennäköistä, että lähtö ei enää viivästy.

ExoMars-kulkijan mallikappale testaa pyöriä.
ExoMars-kulkijan mallikappale testissä. ExoMars-kulkijan mallikappale testaa pyöriä. Kuva: ESA ExoMars,ESA,Mars (planeetat)

ESA on koittanut kaksi kertaa laskeutua Marsiin, mutta epäonnisesti. Neuvostoliitto onnistui aikanaan laskeutumaan ensimmäisenä Marsiin, mutta joulukuussa 1971 laskeutunut Mars 3 sammui vain 15 sekunnin toiminnan jälkeen. Sen jälkeen kaikki itänaapurin lennot Marsiin ovat epäonnistuneet.

Nyt historiasta on koetettu ottaa opiksi, ja ainakin vuoden 2016 ExoMars lupaa hyvää. Samoin ESAn Mars Express on erittäin rohkaiseva esimerkki, sillä tämä Marsia kiertävä luotain laukaistiin matkaan vuonna 2003 venäläisellä Sojuz-raketilla ja luotain on eräs pitkäikäisimmistä sekä menestyksekkäimmistä Mars-lennoista.

Aurinkopaneeleista virtansa saava Rosalind Franklin on kooltaan noin 2,5 metriä pitkä ja leveä. Sen mukana on monipuolinen valikoima kameroita ja tutkimuslaitteita, joista jännittävimmät ovat pora ja minilaboratorio. Poralla on tarkoitus ottaa näytteitä syvältä pinnan alta, ja niitä voidaan analysoida saman tien laboratoriossa.

Kulkijan toivotaan toimivan ainakin seitsemän kuukauden ajan, ja koska se voi olla yhteydessä Maahan vain noin joka toinen päivä ExoMars-luotaimen kautta, on se hyvin omavarainen.

Rosalind Franklin on suunniteltu liikkumaan noin sata metriä päivässä, ja ennalta arvioidaan, että se tulisi taivaltamaan Marsissa vajaat viisi kilometriä. Jos kulkija toimii pitkään, matka voi olla paljon pitempikin.

ExoMars-kulkijan pyörä lähikuvassa.
ExoMars-kulkijan pyörä lähikuvassa. ExoMars-kulkijan pyörä lähikuvassa. Kuva: ESA ExoMars,ESA,ExoMars rover

Euromönkijän alusta ja pyörät ovat hieman erilaisia kuin amerikkalaisilla. Pyöriä on kuusi, niissä on kussakin oma sähkömoottorinsa, ja ne ovat kooltaan kohtalaisen pieniä. Kaksi paria pyöristä on kiinnitetty toisiinsa telillä, mutta kolmas pyörä kummallakin puolella on kiinni suoraan rungossa.

Pyöräkiinnikkeet ovat aktiivisia, eli ne nostavat ja laskevat pyöriä koko ajan siten, että ne osuvat pintaan. Tämän ansiosta Rosalind pystyy myös ikään kuin kävelemään: tukalassa paikassa se lukittaa pyörät paikalleen ja nostelee sekä liikuttelee niitä kuin jalkoja. Kätevää!

Tositoimiin Rosalind Franklin pääsee tammikuussa 2021, kun se saapuu Marsiin. Myös Nasan Mars 2020 -kulkija laskeutuu silloin punaiselle planeetalle.

Kiinalaisen Yutu-kuukulkijan pyörä.
Yksi ensi kesänä lähetettävistä Mars-luotaimista tulee Kiinasta, mutta se jää "vain" tutkimaan Marsia sen kiertoradalta. Kiinalla on kuitenkin Kuussa jo kaksi kulkijaa. Yutu-kulkijat ovat samanlaisia, ja niissä on tällaiset pyörät. Kiinalaisen Yutu-kuukulkijan pyörä. Kuva: CNSA / CCTV Kiina,Kuu,Yutu

Toimisiko Cybertruck?

Automaattiset tutkimusrooverit siis tulevat hyvin toimeen Marsissa, mutta miten on uuden Teslan kanssa?

Periaatteessa mikään ei estäisi Cybertruckin käyttämistä, sillä se on sähkökäyttöinen. Jos se saataisiin kätevästi vietyä Marsin päiväntasaajan seutuville, eivät olosuhteet muutenkaan siellä olisi niin hankalat, etteikö ihan tuotantoversio pystyisi siellä toimimaan.

Mieleen tulee kuitenkin kaksi asiaa, jotka voisivat tietää vaikeuksia. Ensinnäkin renkaat olisi hyvä vaihtaa toisiin, koska tavalliset maapallolla käytettäväksi tarkoitetut renkaat eivät olisi Marsissa hyvät.

Toinen asia liittyy Marsin ohueen ilmaan. Ihmisten täytyy käyttää siellä avaruuspukuja ulkona ollessaan, ja siksi auton istuimet ja ohjaimet täytyisi tehdä sellaisiksi, että niitä voi käyttää kankeassa ja kookkaassa avaruuspuvussa.

Musk mainitsi Cybertruckia esitellessään ohimennen, että Marsissa auto olisi paineistettu. Silloin sen sisällä voisi olla ilman avaruuspukua, mutta silloin edessä on uusia ongelmia. Joko autossa pitäisi olla kookas ilmalukko, jonka kautta sinne mennään, tai sitten ovet pitäisi suunnitella uudelleen.

Nämä ovat kuitenkin pieniä asioita, ja todennäköisesti ruostumattomasta teräksestä tehty sähköauto toimisi kyllä Marsissa.

Tesla ei ole kuitenkaan ainoa toiselle planeetalle autoa suunnitteleva yhtiö. Japanilainen Toyota pohtii vakavissaan Japanin avaruustutkimusjärjestö Jaxan kanssa Kuussa ja Marsissa käytettävää autoa. Alla oleva video näyttää, millaiseksi se nyt kaavaillaan.

  • Miltä tuntuu olla painoton?

    Ole kuin lintu, lennä vapaasti.

    Painovoima on kuin kahle, joka vetää koko ajan alaspäin. Kun siitä pääsee eroon, näyttäytyy maailma erilaisena ja voit liikkua kolmessa ulottuvuudessa. Se on upea tunne, jota jää kaipaamaan.

  • Varoitus: tämä kuva saattaa järkyttää maailmankuvaasi

    Luotaimen ottama kuva näyttää kuinka mitätön maapallo on.

    Tasan 30 vuotta sitten Nasan Voyager 1 -avaruusluotain suuntasi kameransa kohti maapalloa ja otti erään avaruuslentojen historian tärkeimmistä valokuvista. Äkkiseltään katsottuna kuvassa ei ole juuri muuta kuin mustaa ja Auringon häikäisystä johtuvaa vaaleaa sumua. Mutta kun kuvaa katsoo tarkasti, on siellä pieni valopiste.

  • Olisiko mummoista vetoapua vauvakatoon?

    Isovanhempien apu voi rohkaista hankkimaan lisää lapsia.

    Kautta aikojen perheissä toistuu sama tarina, joka kertoo isoäitien tärkeästä roolista lajimme selviytymiselle. Mummon apu lastenhoidossa edesauttoi äitien lastensaantia ja lasten eloonjäämistä.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

  • Miltä tuntuu olla painoton?

    Ole kuin lintu, lennä vapaasti.

    Painovoima on kuin kahle, joka vetää koko ajan alaspäin. Kun siitä pääsee eroon, näyttäytyy maailma erilaisena ja voit liikkua kolmessa ulottuvuudessa. Se on upea tunne, jota jää kaipaamaan.

  • Avaruusalus, jonka tehtävä on grillaantua Auringossa

    Solar Orbiter on tuomittu käristymään.

    Kreikkalaisessa mytologiassa Ikaros nousi lentoon käsiinsä kiinnitetyillä siivillä, jotka oli tehty vahasta ja linnun sulista. Lento päättyi kuitenkin ikävästi, koska hän nousi lähelle Aurinkoa ja sen paahde sulatti siivissä olleen vahan. Toivottavasti lähelle Aurinkoa laukaistava Solar Orbiter ei koe tätä samaa kohtaloa

Uusimmat sisällöt - Tiede