sunnuntai 8. huhtikuuta 2012

Irti rakettiyhtälöstä ajoaineettomilla propulsiomenetelmillä

Rakettiyhtälöstä on avaruustoiminnassa iso haitta. Katsaus ajoaineettomiin menetelmiin on siis paikallaan. Avaruuskelpoinen tyhjiöpumppu ja muuta jännää on luvassa.

Fotonipurje

Aurinkopurje on laaja ja ohut heijastava kalvo, joka pysyy auki keskipakoisvoiman tai pitkien tankojen avulla. Jos halutaan hyvä suorituskyky, kalvon pitäisi olla varsin ohut. Fotonipurje toimii kaikkialla missä aurinko paistaa, mutta työntövoima vähenee auringosta mitatun etäisyyden neliössä. Alle noin 700 km korkeudella ilmanvastus voittaa säteilypaineen, joten fotonipurje on nostettava korkeammalle aloitusradalle.
Oma näkemykseni on että pyörivät heliogyro-tyyppiset purjeet olisivat levypurjeita kiinnostavampia, koska niissä kalvoja ei tarvitse taitella vaan ainoastaan rullata, koska niiden työntövoiman suuntaa ja suuruutta voidaan säätää monipuolisemmin ja koska purjekalvot saadaan kauemmas pääaluksesta niin että ne eivät häiritse radioliikennettä ja tiedeinstrumentteja.

Sähköpurje

Sähköpurje koostuu ohuista varatuista metallilangoista, jotka poikkeuttavat aurinkotuulen protoneja suunnastaan ja siten saavat niiltä liikemäärää. Sähköpurje toimii kaikkialla minne aurinkotuuli puhaltaa, eli kaikkialla aurinkokunnassa paitsi Maan ja jättiläisplaneettojen magnetosfäärien sisällä. Työntövoima vähenee kääntäen verrannollisena auringosta mitattuun etäisyyteen eli hitaammin kuin fotonipurjeella. Työntövoiman suuntaa voidaan säätää hieman rajoitetummin kuin fotonipurjeessa, mutta toisaalta sen suuruutta voidaan säätää rajattomasti nollan ja maksimiarvon välillä. Arvioiden mukaan sähköpurjeen työntövoima suhteessa laitteen painoon on huomattavan suuri. Työntövoimaa ei tosin pystytä arvioimaan kovin tarkasti teoreettista tietä ja työntövoimamittausta aurinkotuulessa ei ole vielä tehty.

Sähködynaaminen lieka

Sähködynaamisella liealla voi nostaa tai laskea LEO-satelliitin rataa. Jos rataa nostetaan, laite kuluttaa sähkötehoa, jos sitä lasketaan, se toimii generaattorina. Jos lieka on painovoimastabiloitu eli roikkuu satelliitista kohti maata tai maasta poispäin, laite toimii kuvatulla tavalla vain päiväntasaajaradalla, koska muilla radoilla liekaan kohdistuva magneettinen voima muuttaa myös radan inklinaatiota. Jos lieat pyörivät kuten sähköpurjeessa, sitä voi käyttää monipuolisemmin myös muilla kiertoradoilla.
Peikkona sähködynaamisessa lieassa on että jos lieka katkeaa, irronneesta pätkästä tulee ikävä avaruusromu, joka tosin putoaa alas tyypillisiä satelliitteja nopeammin. Mitä matalampi ratakorkeus, sitä pienempi ongelma tämä on.
Sähköstaattinen lieka eli plasmajarru on niin ohut että se ei uhkaa muita satelliitteja. Menetelmä sopii pieniin satelliitteihin ja nimensä mukaisesti sillä voi vain jarruttaa, ei kohottaa rata. Plasmajarrun käyttämä fysikaalinen periaate on läheistä sukua sähköpurjeelle.

Asteroidivesi

Hiiliasteroidit sisältävät vesijäätä, jota on periaatteessa suoraviivaista louhia lämmittämällä. Vettä voitaisiin kuljettaa maan kiertoradalle sähköpurjeilla. Jos vesipitoinen asteroidi on riittävän lähellä Maata, rakettityypisetkin propulsiomenetelmät saattaisivat olla riittävän taloudellisia. Maan kiertoradalla vettä voidaan tankata elektrolyysipropulsioalukseen, joka sitten pystyy siirtelemään satelliitteja radalta toiselle. MEO- ja GEO-radat ovat valitettavasti välialuetta, joka on elektrodynaamiselle liealle liian korkea ja sähköpurjeelle liian matala. Ajoaineettomista menetelmistä siellä toimii vain fotonipurje, joka on kuitenkin varsin hidas eikä toimi ilmanvastuksen takia matalimmilla radoilla. Elektrolyysiraketit olisivat satelliittien siirtelyyn sangen hyödyllisiä, kunhan halpaa asteroidivettä olisi saatavissa kiertoradalla. Siirto niillä kestäisi tyypillisesti muutaman kuukauden, mikä on nopeampi kuin ionimoottorilla vaikkakin hitaampi kuin hydratsiinilla.

Ilmakehän ionimoottori

ESA:n GOCE-painovoimasatelliitti lentää matalalla ja ylläpitää ratakorkeuttaan ionimoottorilla. Ei tarvitsisi muuta kuin varustaa satelliitin keula muotoillulla aukolla ja tyhjiöpumpulla, niin se voisi imeä tarvitsemansa ajoaineen ilmakehästä. Konseptia on mietitty ESA:ssa. Hall-moottorin sisus on boorinitridiä, joten typen pitäisi kelvata ajoaineeksi ilman korroosio-ongelmaa. Hapen erottamiseen typestä on useita keinoja, tai ehkä ionimoottori sietää happeakin. Koska ionimoottorin suihkun nopeus on tyypillisesti 30 km/s, satelliitti tarvitsee vain osan keräämästään kaasusta radan ylläpitoon. Ylijäämä voidaan säilöä tankkiin joka mahdollistaa nousun ylemmälle radalla. Matalalla radalla satelliittiin kohdistuu merkittävä aerodynaaminen voima, joten satelliitti voi muuttaa myös inklinaatiotaan. Saadaan siis alus joka pystyy muuttamaan kiertorataansa rajattomasti, kunhan muistaa käydä välillä lentämässä matalalla radalla tankkaamassa. Sivutuotteena saadaan happea, jota voi käyttää kemiallisessa raketissa jos on tarpeen tehdä nopeampi manööveri. Poltettava aine joudutaan tosin silloin tuomaan muualta, todennäköisesti maasta.
Kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta, joten jossain on varmaankin tekninen pullonkaula. Ehkä riittävän monta kuutiometriä sekunnissa siirtävä tyhjiöpumppu painaa liikaa.

Pekka Janhunen

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti