keskiviikko 25. elokuuta 2010

Ammoniakin varaan rakentuva päästötön energiatalous


Tämä ei ole avaruusaihe, mutta arvelen sen silti kiinnostavan lukijoita.

Ammoniakin varaan voisi rakentaa päästöttömän energiatalouden, jonka useimmat osat on todettu käytännössä toimiviksi jo kymmeniä vuosia sitten.

Ammoniakki NH3 on tuttu pahanhajuinen kemikaali, mutta myös mahdollinen polttoaine. Ammoniakin polttoarvo painoyksikköä kohti on vähän alle puolet bensiinistä ja sitä käytettiin Belgiassa toisen maailmansodan aikaan linja-autoissa ja rakettipolttoaineena 1960-luvun X-15 -koekoneessa. Ammoniakin palaessa syntyy typpeä ja vesihöyryä ja sitä voidaan käyttää myös polttokennossa. Huoneenlämpötilassa ammoniakki nesteytyy kahdeksan ilmakehän paineessa ja 50 asteen helteessä ammoniakkinesteen höyrynpaine nousee 20 ilmakehään. Ammoniakki on typpilannoitteiden raaka-aine ja sitä tuotetaan noin sadasosa fossiilisten polttoaineiden volyymistä.

Ammoniakissa kolme vetyä on liittynyt typpiatomiin. Lähde: Wikipedia


Ammoniakkia tuotetaan vedystä ja ilmasta Haber-Bosch -prosessilla. Vety voidaan tuottaa joko maakaasusta jolloin syntyy hiilidioksidipäästöjä tai puhtaasti hajottamalla vettä vedyksi ja hapeksi. Puhdas menetelmä vaatii energiaa ja sitä käytettiin aikoinaan Norjassa vesivoimalan vieressä sijainneessa tehtaassa, joka tuotti suurimman osan Euroopan ammoniakista. Tällä hetkellä ammoniakkia tuotetaan pääasiassa maakaasusta.
 
Haber–Bosch-menetelmä: 1. höyryreformointi, 2. ilman lisäys, 3. CO:n hapetus, 4. CO2 poisto, 5. ammoniakkisynteesi, 6. ammoniakin nesteytys. Lähde: Wikipedia
Tuottamalla ammoniakkia puhtaasti vedestä, ilmasta ja energiasta sen varaan voisi rakentaa päästöttömän energiatalouden. Esimerkiksi Etelä-Euroopassa tai Saharassa sijaitsevassa aurinkovoimalassa tuotettaisiin sähköä, jolla hajotettaisiin vettä vedyksi ja hapeksi. Vety ja ilma muutettaisiin ammoniakiksi Haber-Bosch -reaktorissa. Ammoniakki kuljetettaisiin tankkilaivalla tai putkea pitkin asiakkaille liikenne- ja lämmityspolttoaineeksi. Maat ylläpitäisivät omia ammoniakin varmuusvarastojaan kuten ne nykyisin varastoivat öljyä. Ammoniakin tuotantoon voi tietysti käyttää muutakin kuin aurinkosähköä, eikä sähkönsaannin tarvitse olla jatkuvaa koska ammoniakkia voi tuottaa varastoon aina kun halpaa sähköä on saatavilla.

Ajatus on samanlainen kuin niinkutsutussa vetytaloudessa, paitsi että energian kantaja-aineena on vedyn sijasta ammoniakki, jota on helpompi säilöä. Nestemäisen ammoniakin energiatiheys tilavuusyksikköä kohti on puolitoistakertainen nestevetyyn verrattuna. Käytännössä vetyä ei kuitenkaan yleensä säilötä kantorakettityyliin nesteenä 20 kelvinin lämpötilassa, vaan normaalilämpöisenä kaasuna 350-700 ilmakehän paineessa, jolloin ammoniakin energiatiheys on 2-4 kertaa parempi. Vedyn käsittely on hankalaa, koska pienet vetymolekyylit karkaavat herkästi tiivisteiden raoista, diffundoituvat monien materiaalien läpi ja voivat haurastuttaa metalleja. Korkeapaineinen vetykaasutankki on painava ja kallis. Tankin seinämien massa on verrannollinen sisällön paine-energiaan, ja vetytankin paine-energia (paine kertaa tilavuus) on kymmeniä kertoja suurempi kuin saman energian sisältävällä ammoniakkisäiliöllä.

Ammoniakki on myrkyllinen aine, toisaalta vety on räjähdysherkkää pieninäkin pitoisuuksina sekoittuessaan ilman kanssa. Ihmisen aistit eivät havaitse vetyvuotoa, kun taas ammoniakkivuodon huomaa heti hajusta. Ammoniakkia osataan käsitellä turvallisesti ja sitä kuljetetaan koko ajan suuria määriä mm. rautateillä.

Ammoniakki maksaa noin 0.4 €/kg. Erilaiset polttoarvot huomioon ottaen ammoniakkiautoilu olisi Suomessa tällä hetkellä noin tuplasti halvempaa kuin bensiiniautoilu. Tämänhetkisestä tuotantotavasta johtuen ammoniakin hinta seuraa raaka-aineena käytetyn maakaasun hintaa, itse Haber-Bosch -tuotantoprosessin osuus on melko pieni. Ammoniakki on siis taloudellinen energian kantaja-aine. Jos ammoniakki tuotettaisiin päästöttömästi aurinkoenergialla, sen hinta asettuisi tasolle joka olisi vain vähän korkeampi kuin aurinkoenergian nettohinta. Aurinkoenergian tuotantoon paikalla jossa sää on usein selkeä ei välttämättä tarvita laajoja ja kalliita aurinkokennostoja, vaan voidaan käyttää myös säteilyn kohdistamista kääntyvillä polttopeileillä pienelle alueelle.

Ensimmäinen kaupallinen aurinkotorni Solucar PS10 Espanjassa. Lähde: Wikipedia
Ammoniakkitaloudessa NH3 siirtää aurinkoenergian ajassa ja paikassa ja muuttuu tehtävän täytettyään takaisin lähtöaineikseen vedeksi ja ilmaksi. Koska ammoniakki ei sisällä hiiltä, ketju on elollisesta luonnosta riippumaton eikä häiritse sitä.

Vaikka ammoniakkitalouden periaate on vanha ja tunnettu, jostain syystä asia tuntuu painuneen unohduksiin eikä sitä tietääkseni juuri tutkita ainakaan Suomessa. Olipa syy tähän mikä tahansa, yhtäältä riippuvuus kalliiksi käyvistä fossiilisista polttoaineista sekä toisaalta havahtuminen biopolttoaineiden ja ilmastonmuutoksen ekologisiin ja inhimillisiin haittavaikutuksiin ovat tosiasioita, joiden valossa ammoniakin käyttöä energian siirtoaineena ei kannattaisi jättää pois laskuista ainakaan ilman huolellista tutkimista.

Pekka Janhunen

Kirjoittaja on Ilmatieteen laitoksella työskentelevä fyysikko, avaruustutkija ja sähköpurjeena tunnetun aurinkotuuleen perustuvan avaruusalusten propulsiomenetelmän keksijä.

torstai 19. elokuuta 2010

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 4: Jättiläisplaneettojen ilmakehäluotaimet


Erilaisten planeettakunnan syntyteorioiden testaamisen kannalta (miten planeetat syntyvät tähteä ympäröivästä kertymäkiekosta) olisi tärkeä tietää tiettyjen melko harvinaisten alkuaineiden kuten neonin ja muiden jalokaasujen tarkat pitoisuudet erityisesti ulkoplaneetoilla. Nämä tiedot voidaan saada vain mittaamalla tarkasti aurinkokuntamme jättiläisplaneettojen ilmakehien koostumus paikan päällä. Toistaiseksi mittaus on tehty Jupiterin ilmakehälle Galileo-luotaimella vuonna 1995. Galileo-alus pudotti Jupiterin ilmakehään 340-kiloisen laskeutujaluotaimen, jonka paksu lämpökilpi oli suunniteltu kestämään valtava 48 km/s tulonopeus jättiläisplaneetan ilmakehään.

Galileon laskeutumisosa Nasan puhdastilassa. Lähde: Wikipedia
Muillekin jättiläisplaneetoille pitäisi siis lähettää ilmakehäluotaimia. Sähköpurje sopii tehtävään erinomaisesti. Maan pakoradalle laukaisemisen jälkeen sähköpurje kiihdyttää luotaimen radalle, joka vie sen kohti haluttua jättiläisplaneettaa. Hyvissä ajoin ennen saapumista planeetan lähelle sähköpurje heitetään pois, jotta ehditään tehdä tarvittavat ratakorjaukset pienillä ohjausraketeilla. Sitten luotaimesta erotetaan varsinainen laskeutuja. Laskeutuja osuu planeetan ilmakehään vinossa kulmassa emäaluksen kiitäessä vähän planeetan ohi. Laskeutujassa on Galileo-tyyppinen paksu lämpökilpi. Laskeutuja jarruuntuu ilmakehän yläosassa ja leijuu sitten laskuvarjon varassa alaspäin. Melko pian ilmakehän paine murskaa sen, mutta sitä ennen se on ehtinyt lähettää mittaustuloksensa etääntyvälle emäalukselle. Tiedot välivarastoidaan emäaluksen muistiin, mistä ne lähetetään Maahan myöhemmin.

Taulukossa on matka-aika ja laskeutujan iskeytymisnopeus ilmakehään erikokoisille hyötykuormille (laskeutujan ja emäaluksen yhteismassa), kun käytetään yhden newtonin perussähköpurjetta. Todellisuudessa massat ovat jonkin verran taulukossa annettuja pienempiä mm. aurinkotuulen epävarmuudesta johtuvan suunnittelumarginaalin takia.
Aurinkokunnan jättiläisplaneetat odottavat sähköpurjehtijaa. Planeettojen koot ovat oikeassa skaalassa toisin kuin välimatkat. Kuva: Wikipedia


Hyötykuorma
Matka-aika
Iskeytymisnopeus
Jupiter
500 kg
1.0 v
53 km/s

1000 kg
1.6 v
49 km/s

1500 kg
2.5 v
47 km/s
Saturnus
500 kg
1.7 v
37 km/s

1000 kg
2.8 v
30 km/s

1500 kg
4.6 v
27 km/s
Uranus
500 kg
3.1 v
36 km/s

1000 kg
5.3 v
25 km/s

1500 kg
9.6 v
20 km/s
Neptunus
500 kg
4.6 v
38 km/s

1000 kg
8.0 v
28 km/s

1500 kg
14.9 v
23 km/s

Hyötykuorman kasvattaminen pidentää tietenkin matka-aikaa. Toisaalta hyötykuorma on suoraan verrannollinen sähköpurjeen työntövoimaan. Siis esimerkiksi pienemmällä 0.5 N sähköpurjeella voitaisiin heittää puolen tonnin hyötykuorma Jupiteriin 1.6 vuodessa. Taulukon suurinkaan iskeytymisnopeus 53 km/s ei ole niin suuri, etteikö sen kestävää lämpökilpeä pystyttäisi rakentamaan Galileo-luotaimen oppien mukaan.
Tässä kuvassa myös välimatkat ovat oikeassa skaalassa - ne kasvavat liikuttaessa aurinkokunnassa ulospäin. Huomaa kuitenkin, etteivät koot ja välimatkat kuitenkaan ole oikeissa suhteissa toisiinsa! Lähde: Wikimedia
Kustannusten säästämiseksi voitaisiin rakentaa monta samanlaista luotainta sähköpurjeineen, jotka lähetettäisiin kaikille jättiläisplaneetoille. Saman tien kannattaisi lähettää viideskin luotain Saturnuksen Titan-kuuta varten. Tämäntyyppisissä projekteissa hyötykuorman suunnittelu- ja kehityskulut ovat suurin menoerä, joten useampien luotainkopioiden rakentaminen on taloudellisesti järkevää. Operointikulut eivät ole myöskään suuret. Jos sähköpurje toimii automaattisesti, matka-aikana ei tarvita juurikaan seurantaa. Luotaimen tieteellinen mittausvaihe ilmakehässä on lyhyt ja tietojen siirtäminen emäaluksesta Maahan on rutiinitoimenpide.

Perinteisellä menetelmällä luotaimet pitäisi toteuttaa keräämällä nopeutta useista sisäplaneettojen lähiohituksista. Sähköpurjeen etuina ovat lyhyempi matka-aika, pienempi laukaisumassa ja joka vuosi toistuva laukaisumahdollisuus. Lisäksi perinteinen menetelmä vaatii Venuksen lähiohituksia, joten alus pitää suunnitella sietämään paitsi ulkoavaruuden kylmyyttä, myös Maan rataa lämpimämpiä olosuhteita. Sähköpurjetta käytettäessä lämpösuunnittelu on helpompi tehdä, koska alus ei koskaan mene Maata lähemmäksi Aurinkoa.

"Aika on rahaa!" Lähde: Wikipedia
Matka-ajan lyhenemisestä on monenlaista suoraa ja epäsuoraa hyötyä. Esimerkiksi maatukilaitteiston tietokoneisiin saa vielä varaosia ja ohjelmistopäivityksiä kun laite lentää ja mittaa, ja laitteen rakentanut ryhmä pysyy todennäköisesti koossa ilman erityistoimenpiteitä. Myös itse laitteen suunnittelu on helpompaa ja halvempaa, koska vaadittava toiminta-aika on kohtuullinen. Roope Ankan lausahdus ”aika on rahaa” on totta myös ja eritoten avaruustutkimuksessa.

Sähköpurje ja lämpökilpi tukevat toisiaan sievästi tässä tehtävässä. Sähköpurje pystyy heittämään luotaimen nopeasti perille, vaikkei saakaan luotainta pysähtymään. Pysäyttämisen hoitaa kuitenkin lämpökilpi, eikä kilven tarvitse olla juurikaan paksumpi kuin perinteisellä nopeudella lennettäessä, koska jättiläisplaneetan vahvan vetovoiman takia luotain iskeytyy ilmakehään joka tapauksessa vauhdikkaasti.

Tieteen kannalta pitäisi mitata kaikki tai melkein kaikki jättiläisplaneetat. Kaikkien jättiläisplaneettojen tutkiminen perinteisellä menetelmällä olisi kuitenkin niin kalliista, että siihen ei varmastikaan ryhdytä paitsi jos avaruusjärjestön tiedeohjelman rahoitus kasvaa merkittävästi. Toisaalta jos mitataan vain yhden jättiläisplaneetan ilmakehää, tieteellinen anti jää pienemmäksi ja identtisten alusten rakentamisesta seuraava säästö jää saamatta. Sähköpurjetta käyttämällä kaikkien tai useimpien ulkoplaneettojen ilmakehien koostumusmittaus olisi sen sijaan realistinen tavoite nykyiselläkin tiedeohjelman rahoituksella. Tulos kertoisi mitkä nykyisistä planeettakuntien syntymalleista ovat kenties havaintojen kanssa sopusoinnussa ja mitkä eivät. Hyvä planeettakuntien syntyteoria puolestaan auttaisi meitä arvioimaan teoreettista tietä mm. mahdollisten elämälle suotuisten aurinkokuntien esiintymistiheyttä maailmankaikkeudessa.

Pekka Janhunen

torstai 12. elokuuta 2010

Erilaisia aurinkopurjeita

Sähköpurjekolumni 12.8.2010

EU-projekti alkaa näillä näkymin lokakuun alussa. Sitä odotellessa valmistaudutaan 19-24.9. pidettävään Euroopan planeettatutkijoiden (EPSC:n) kokoukseen Roomassa. Meillä on siellä oma sähkö- ja aurinkopurjeistunto, johon on tulossa kymmenkunta esitystä. Esityksistä yksi (IKAROS) käsittelee tavallista aurinkopurjetta ja loput sähköpurjetta.

Sähköpurje ja aurinkopurje tavallaan kilpailevat keskenään, mutta toisaalta pieniä aurinkopurjeita voisi käyttää sähköpurjeen pyörimisen käynnistämiseen kylmäkaasu- ja FEEP-moottoreiden sijasta. Jokaisen sähköpurjeliean kärjessä voisi olla muutaman neliömetrin kokoinen aurinkopurje, jonka lapakulmaa muuttamalla käynnistetään liekojen pyöriminen avausvaiheessa ja joilla voidaan tarvittaessa myöhemmin muuttaa liekojen pyörimisnopeutta. Lopulta tällainen sähköpurje ei ehkä tarvitse lainkaan pääliekoja yhdistäviä vakauttavia apuliekoja, vaan jokaista pääliekaa lennettäisiin aktiivisesti aurinkopurjetta kääntelemällä. Jos aurinkopurjeen ohjausmekanismiin tulisi vika, lieka katkaistaisiin ja ammuttaisiin sivuun pienillä raketeilla. Jos rakenteessa on myös apulieat, aurinkopurjeet toimivat ryhmänä, jolloin yhden aurinkopurjeen hajoaminen ei vaadi kyseisen liean amputointia.
IKAROS on japanilainen aurinkopurjeen testimissio. Kuva: IKAROS

Aurinkopurjesiipien lapakulmien pitää olla säädettäviä. Lavan kääntöön voidaan käyttää erillisiä pieniä kääntyviä aurinkosiivekkeitä, tai osa aurinkopurjeesta voisi olla päällystetty sähköisesti ohjattavalla nestekidetummentimella, kuten japanilaisten IKAROS-purjeessa. Jotta lapakulman säätö tapahtuisi viiveettömästi, apuna voi olla pieni vauhtipyörä joka toimii impulssimomentin nopeana välivarastona. Ohjaus hoituisi pääaluksesta radioitavan liekakohtaisen suuntatiedon ja purjeessa olevan aurinkosensorin avulla.

Tällainen aurinkopurjesiipi voisi olla esimerkiksi 20-50 cm leveä ja useita metrejä pitkä kalvo, joka avataan rullalta kuten piirtoheitinkangas jonka keskipakoisvoima suoristaa. Laitetta voidaan testata maan päällä käyttämällä painovoimaa keskipakoisvoiman korvikkeena.

Sähköpurje voidaan rakentaa monella tavalla. Eri tapojen kehittäminen, arviointi ja valinta on sähköpurjeen kehitystyön ydin.