Geysir-raketti / Geysir-rocket

Tällainen juolahti mieleen. Kenties idea on jo esitetty jossakin tieteisjännärisä, mutta ainakaan en itse muista sitä kuulleeni.

Kyse on siis uudesta keinosta ampua raketti avaruuteen. Konseptille olen antanut nimen kineettinen vakuumi-hydro-laukaisin, eli Ki-Va-Hy-La (Kinetic Vacuum Hydro Launcher).

(EDIT: Viides päivä. Keskusteltuani muutaman fyysikon kanssa huomasin, että hydrokatapulttien toimintaperiaatteet eivät ole tuttu kovin monelle fysiikan ammattilaiselle. Yksi syy on nesteiden ominaisuuksien huono tuntemus tyhjiössä. Meidän arkiympäristössämme esimerkiksi pullosta kaadettu vesi alkaa pyörteillä, koska poistuvan veden täytyy korvautua ilmalla ja näin syntyvä pyörre hidastaa veden liikettä. Avaruusraketin kiihdyttäminen hydraulisella männällä edellyttäisi tyhjiötä myös putkessa raketin edellä, koska muutoin ilma pakkautuisi tiiviiksi puuroksi ja pysäyttäisi kiihdytyksen.

Toinen periaate, jota kaikki hydrauliikan asiantuntujatkaan eivät tunne ovat veden kineettisen energian muodonmuutokset. Hydrauliikka perustuu paineeseen, eikä liikkeeseen. Veden liikenopeus kasvaa, kun hydraulinen putki kapenee. Myös konkreettinen liike-energia voidaan kuitenkin yhdistää hydrauliseen mekanismiin, jos vesipatsa suurella nopeudella iskeytyy mäntään tyhjiössä, eikä sen eteen puristu ilmaa jousen lailla. Tällöin nopeus kasvaa räjähdysmäisesti.

Veden heikommin tunnettuja hydro-kineettisiä ominaisuuksia voi kotona testata esimerkiksi nenähuuhtelukannulla, joka myös edesauttoi koko idean keksimistä.

(EDIT: Pienen mittakaavan testit nenähuuhtelukannulla ovat vahvistaneet perusidean - tosin vaikutuksen lisääntymistä tulisi testata suuremmassa mittakaavassa ja tyhjiössä.)

* * *
(Artikkelin alkuperäinen aloituskohta alkaa tästä.)

Huimapäisessä suunnitelmassani yhdistyy useampi mielikuvituksellinen idea:
1.) Mitä jos avaruutta ei tavoiteltaisikaan entistä korkeammalta, vaan syvältä meren pohjan tasolta?
2.) Mitä jos alus ei syöksyisi ilmakehään vasta paluumatkallaan, vaan se törmäisi ilmakehään jo lähtiessään, alhaalta päin?
3.) Mitä jos perinteisen polttomoottorin lisäksi työntövoimana olisi vesi? Vesi lähtee molemmista päistään avoimessa U-putkessa kohoamaan ylös paineen voimasta, mutta sitä voidaan lisäksi kiihdyttää hydrauliikan lakien mukaan - minkä seuraukset ovat kertaluontoisesti ärhäkät.

Geysir-raketin lähdössä on neljä vaihetta: paineistettu lähtölaukaus, ilmanvastusta vähentävä tyhjiökäytävä, nesteen nopeutta hydraulisesti kiihdyttävä, asteittain kapeneva putki sekä viimeiseksi perinteinen polttomoottori.

Paine-ero muuttuu kineettiseksi energiaksi, mikä tiivistyy hydrauliikan lakien mukaisesti yhä suuremmaksi nopeudeksi, mitä ei tyhjiöputkessä hillitse mikään. Painovoima auttaa rakettia nousemaan, mutta hydrauliikka sinkoaa sen ilmaan.

Kaikki alkaa siitä, kun maankuoreen porataan kilometrin syvyinen suora putki, eräänlainen tykinpiippu. (Putki voisi jatkuaa myös maanpinnanyläpuolelle, jotta vapautuva vesisuihku hajoaisi laajemmalla alueelle pudotessaan maahan, eikä tuhoaisi infrastruktuuria.)

Meren puolelta käytävä yhdistetään kilometrin syvyyteen, jossa vallitsee noin sadan ilmakehän paine.

Kuvan mittasuhteet eivät ole oikeat. Pystysuora piippu muistuttaisi enemmänkin lääkeruiskun neulaa. HUOM. Kyseinen tilanne ei vielä kuvasta toimivaa konseptia, joka esitellään myöhempänä.

Raketin alla on siis lähtöhetkellä sadan baarin paine ja kohoava vesi kiihdyttää sitä putkessa kuten tykinkuulaa. Geysiriä ei tarvitse edes kuumentaa, mikä saattaisi käristää astronautit. Lämmitys lisäisi painetta, mutta samalla myös myös puskisi vettä toiseen suuntaan, takaisin mereen, mikä ei ole tavoitteena.

Mekanismi edellyttää lähes täydellistä tyhjiötä

Vedenpaine ja raketti joutuisivat työntämään putkessa edellään asteittan kasvavaa ilmanpainetta, mikä hidastaisi kiihdytystä merkittävästi. Jos putki on esimerkiksi 1,5 kilometriä pitkä, mutta leveydeltään vain 15-20 metriä, ilmanpaine kasvasi erittäin korkeaksi raketin edessä ja ympärillä. Niinpä putkesta olisi etukäteen imettävä pois kaikki matkaa jarruttava ilma.

Oikealla hetkellä heikko sinetti putken yläpäässä joko aukeaisi salamanräpäyksessä tai aluksen kärki olisi suunniteltu iskeytymään sen lävitse. Kenties kyseessä voisi olla muovikalvo tai jonkinlainen kameran suljinta muistuttava mekanismi?

Putkessa etenevän veden painetta voisi olla mahdollista entisestäänkin kasvattaa, jos painesammiossa tai putkessä käytettäisiin hyväksi jonkinlaista massiivista hydrauliikkaa. Joka tapauksessa tyhjiössä etenevän geysirin luontainenkin nostovoima tekisi alkukiihdytyksestä järisyttävän tehokkaan.

Tyhjiössä kulkevia junia on aiemmin suunniteltu, mutta en mistään löytänyt putkipostin lailla laukaistavaa rakettia.

http://en.wikipedia.org/wiki/Vactrain
Vactrain- junien nopeudeksi on lupailtu jopa moninkertaista äänennopeutta, mutta ne saavuttavat nopeuden vähitellen. Junien ei tarvitse kamppailla painovoimaa vastaan, joten kiihdyttävä voima voi olla kevyempi. Raketti tarvitsisi kuitenkin pystysuoraan kohotessaan huomattavasti räjähtävämpää energiaa ja juuri sitä tarjoaa korkea vedenpaine.


Suunnitelma ei vie hydro-rakettia avaruuteen asti, mutta sen ei tarvisisi käyttää omaa polttoainekuormaansa alkukiihdytykseen. Hydraulisen alkusysäyksen voi yhdistää perinteiseen rakettiteknologiaan, jolloin raketin hyötykuormaa voidaan kasvattaa suhteessa polttoainekuormaan. Tarkoitus ei siis olisi ampua rakettia veden voimalla avaruuteen asti, vaan tehostaa nykytekniikkaa suhteellisen yksinkertaisella ja puhtaalla teknologialla.

Liikkuvan veden massaan sitoutuu niin paljon energiaa, että se jatkaa nousuaan putkessa merenpinnan korkeuden yläpuolelle. Jos putki yläpäässään kapenisi, ja alus samaan aikaan vetäisi eräänlaista sitä ympäröivää männänrengasta sisäänpäin, ylös purkautuvaan veteen sitoutunutta liike-energia voisi kenties hyödyntää tehokkaammin, kun hydraulinen paine kasvaisi?

Toinen ratkaisu alkusysäyksen voiman lisäämiseksi olisi tietenkin painesäiliön sijoittaminen syvemmälle maan kuoreen, mutta kuinka voimakasta kiihdytystä alus ja sen miehistö kestäisi? Vedenpaineen kokonaistyöntovoimasta ja nousevan veden mahdollisesti saavuttamasta nopeudesta täytyisi tehdä tarkempia laskelmia.

Mitä tehdä jättimäisellä suihkulähteellä?

Kun rakettiputkea on kerran käytetty, se täytyy jälleen sulkea molemmista päistä ja imeä pois vesi sekä ilma. Tämä vaihe on hidas ja kuluttaa energiaa, mutta kenties geysir voisi sijaita kuivalla alueella, jolloin sen harkittuna vuodenaikana aikaansaama keinotekoinen sade hyödyttäisi lähialueen viljelijöitä? Pumput voisivat toimia aurinkovoimalla, eikä prosessin palauttamisella alkuun ole varmaan kovin suurta kiirettä.

Jos vettä haluttaisiin hyödyntää kastelussa, kyse tulisi tietenkin olla makean veden geysiristä, sillä kovin moni tuskin haluaa suolavettä pelloilleen. Syviä makean veden esiintymiä ei valitettavasti ole kovin montaa.

Baikal-järven syvyys on 1,5 kilometriä, joten mahdotonta sekään ei olisi. Yksi mahdollisuus olisi, että jotakin järveä keinotekoisesti kaivettaisiin syvemmäksi. Raketti voisi lähteä eräänlaisesta toisesta päästään kapenevasta U-putkesta, johon vesi ammennetaan tavallisesta järvestä ja se koukkaa juuri niin syvältä kuin on tarve sopivan paineen aikaansaamiseksi.

Raketti voisi olla muodoltaan pitkä ja kapea kuin jousiampujan nuoli, jolloin vettä suihkuaisi vähemmän ja putki olisi myös helpompi jälkikäteen tyhjentää. Pienemmällä ilmanvastuksella sen olisi helpompi myös säilyttää alkuperäinen nopeutensa sujahtaessaan ilmakehän läpi ala kautta avaruuteen.

Putken kaventaminen kuitenkin lisää entisestään vaatimusta ehdottoman tyhjiön aikaansaamisesta. Kymmenen metriä halkaisijaltaan olevan kilometrin pituisen putken sisällä olevan ilman puristaminen yhteen tuottaa minun fysiikantaidoillani ja logiikallani paineen, joka ennen pitkää vastaa veden voimaan ja pysäyttää sen kiihdytyksen tietyssä pisteessä.

Ilmanpaineen jatkuva kasvu raketin edessä hidastuttaisi nousua kuin ilmatyyny tai hydraalinen jousi, jota puristetaa kasaan. Suurissa nopeuksissa ilma on muutenkin kuin puuroa, mutta ilman paineistuessa vaikutus vain lisääntyy.

Vesipatsaan kohoamista tyhjiössä tulisi ensiksi testata pienemmillä malleilla ja katsoa mikä on optimaalinen putken pituus ja leveys - sekä tutkia kuinka tyhjäksi putki täytyisi imea ilmasta, jotta kiihtyvyys säilyisi tehokkaana.

Versio 2: Parannuksia / Some moderations

Kiihdytys olisi kenties parempi ja myös inhimillisempi, jos se tapahtuisi ensin vaakatasossa.

Keksin myös erään mahdollisen ratkaisun, jolla korvata tyhjiö tarve koko matkalta. Raketin eteen pakkautuvan ilman voisi ohjata sivuille eräänlaisella suppilolla sekä kantorakentilla tai liikkuvalla laukaisualustalla, joka peittäisi putken reunat sen jälkeen, kun se olisi työntänyt paineistetun ilman edeltään sivuille.

Ensimmäisessä vaiheessa raketti olisi kiinnitettynä nivellettyyn alustaan, jossa olisi renkaat. Koko rakennelma liikkuisi männän lailla, kun vesi päästettäisiin virtaamaan tunnelissa.

Vaihe 1: sivuttainen kiihdytys kelkan avustuksella.

Sivuttaissuunnassa tapahtuva kiihdytys voisi olla useita kilometrejä pitkä. Kantoalustan suuri massa hidastaisi nykäystä ja ehkä helpottaisi miehistön oloa. Lopulta käytävä kääntyisi ylös päin. Raketin ei tarvitsisi olla nivelletty, koska käytävä kääntyisi loivasti ja olisi huomattavasti sitä leveämpi.

Kokeellisesti pitäisi mitata kuinka suuren nopeuden paineistettu vesi voi tällaisessa tunnelissa saavuttaa. Kenties joku osaisi laskea sen myös teoreettisesti. Vaikka tiivistyvä ilma lopulta pääsisi pakenemaan sivuille, se silti asettaisi kiihdytykselle tietyn ylärajan.

Vaihe 2: Kelkasta irroittautuminen.

Kun tunneli osoittaisi suoran ylöspäin, kelkka työntäisi ilman edestään sivuille ja jarruttaisi rajusti - tai rysähtäisi niille sijoilleen, jos putki sen kestää. Vauhti ei voisi olla vielä kovin suuri, koska muutoin kelkka tuottaisi törmätessään suurta tuhoa tunnelille tai pahimmassa tapauksessa myös raketille.

Vesi syöksyisi kelkan lävitse raketin perässä kapeampaan tunneliin, jossa on tyhjiö. Nyt raketti itse toimii mäntänä ja ehkä siihenkin pitäisi asentaa renkaat tai kuulalaakerit.

Sikäli kuin ymmärrän perusfysiikkaa, liikkuvan vesipatsaan valtaisa liike-energia tässä vaiheessa, paine-eron ohella, kiihdyttäisi sen kohoamisvauhtia putkessa.

Vaihe 3: Tyhjiöputkessa hydraulinen paine.

Koska raketin edellä ei olisi ilmaa, ja tunnelin seinämien kitka hyvin olematon, kiihdytys voisi olla todella tehokas. Raketin massa imisi ikään kuin itseensä veden kineettisen energian ja hydraalinen vaikutus korvaisi sen työntövoiman, joka menetetään, kun vedenpaine pienenee lähestyttäessä maanpintaa. Vesivoimaraketissa tällaisia maanalaisia putken kaventumiskohtia voisi olla jopa enemmän kuin yksi, sikäli kuin perusperiaate toimii. Raketti keventää itseään asteittain jättämällä jälkeensä kelkan ja samalla veden kokonaisenergia ohjataan edellistä kapeampaan putkeen, jossa nopeus vain kasvaa.

Kelkan hylkäämisen hetkellä paineistunutta ilmaa voisi jälleen ohjata sivuille suppilolla ja kelkka peittäisi liitoskohdan. Vesi seuraisi rakettia kelkan läpi ja kelkka toimisi suuttimena, joka fysiikan peruslakien mukaisesti tiivistää veden energiaa yhä suuremmaksi nopeudeksi.

Tyhjiöputkessa vesi myös luontaisesti nousisi merenpinnan tasoa korkeammalle, mutta niin täydellistä tyhjiötä on mahdoton luoda, ettei raketin eteen asteittain muodostuisi jonkinlaista ilmanvastusta. Se ei myöskään voisi törmätä alasuunnasta ilmakehään niin suurella nopeudella että palaa poroksi.

Tavallisen vesiletkun suihkuttaman veden nopeutta voi kasvattaa suuaukkoa kaventavalla suuttimella. Myös lääkeruiskulla voi ampua vettä kauas ja korkealle, koska säiliö on paljon piikkiä leveämpi. Lääkeruiskun toimintaperiaatteena on vain paine, eikä vedellä ole kineettistä energiaa. Vesiletkussa sen sijaan vedellä on myös liike-energiaa, ja ainakin oman kokemukseni mukaan se käyttäytyy hyvin ärhäkästi, jos esimerkiksi letkun suuaukkoa äkisti peittää puoliksi sormella. En tiedä miten raketin saavuttamaa teoreettista nopeutta tulisi laskea, kun sen perässä on melkoinen tsunami, joka on saanut alkunsa sadan ilmakehän paineesta.

Hydraulista kiihdytystä ehkä voisi kokeilla pienessä mittakaavassa U-putkessa, jonka toisessa leveämmässä päässä on monta metriä nestettä ja toisessa päässä tyhjiö sekä jonkinlainen ammus. Voisi kuvitella että juuri ilman paineistumisella veden edessä on merkittävä jarruttava vaikutus, koska se ei pääse pakoon vaan muodostaa vauhdin kasvaessa yhä paksumman puuron, jota ammuksen ja vesipatsaan täytyy työntää edellään. Tyhjiön aikaansaaminen on siis tärkeä edellytys.

Toisella puolella U-putken kapeammassa päässä veden putoamisnopeus teoreettisesti kasvaisi rajattomasti, sikäli kuin veden putoamiskiihtyminen tapahtuu tyhjiössä. Tyhjiön ansiosta ammuksen nopeus voisi ylittää ilmankehämme luonnollisen putoamisen nopeuden (n. 200 km/h?), kun se veden voimasta putoaisi ylös taivaalle. Kun vesipatsaan puolelta putki olisi reilusti paksumpi, ei ammuksen painon pitäisi tuottaa ongelmia. Myös putken sisäpinnan sileydellä ja materiaalilla lienee merkitystä veden etenemisnopeudelle.

Useiden kilometrien pituinen hydraulinen verkosto olisi melkoinen investointi, mutta jos toimintaperiaate ei ole virheellinen, massiivinen laukaisualusta voisi tulevaisuudessa säästää avaruusmatkailun kustannuksia.

English summary:
The Geysir-rocket is powered by natural water pressure. The launch is situated deep inside the earth core. Vacuum inside the launch-tube minimises air pressure that normally would build inside the narrow and long barrel. The water can build up its momentum when there is very little air to push out from the pipe.

Pressure of 100 bars pumps the rushing water full of kinetic energy. Later when the pipe gets more narrow, the hydraulic push is even more powerful. The narrow tube works like a hydraulic combustion chamber that creates thrust.

At the very moment when the rocket shoots out from the barrel, it fires up and uses traditional exhaust, but needs much less fuel, because total time needed to burn fuel is reduced by minutes with the help of artificial geysir. The hydraulic jump and a mile long vacume helps it to gain great speed at the start.

Some physical basics:
Nozzle: http://en.wikipedia: Choked Flow
Hydraulic Jump:  http://en.wikipedia.org - Hydraulic Jump