Näytetään tekstit, joissa on tunniste sähköpurjekolumni. Näytä kaikki tekstit
Näytetään tekstit, joissa on tunniste sähköpurjekolumni. Näytä kaikki tekstit

tiistai 27. maaliskuuta 2018

Sähköpurjekolumni 46

Sähköpurjekolumni 27.3.2018

Miehitetty avaruuslento tuo monille ensiksi mieleen painottomuuden. Keinopainovoimaa olisi kuitenkin hyvä käyttää, sillä oikeastaan kaikki avaruuslentämisen terveyshaitat säteilyä ja psykologisia tekijöitä lukuunottamatta johtuvat painottomuudesta. Kansainvälisellä avaruusasemalla keinopainovoimaa ei käytetty, koska tarkoituksena oli tehdä kokeita painottomuudessa.

Robert Zubrin on ehdottanut että Mars-lennolla miehistömoduuli ja vastapainona toimiva propulsiomoduuli voisivat kiertää toisiaan yhdistettynä muutaman sadan metrin pituisella liealla tai puolijäykällä palkilla.  Tällöin pyörimissäde on riittävän iso laadukkaaseen keinopainovoimaan.  Lieka tai palkki lisää massaa jonkin verran, mutta keinopainovoiman ansiosta miehistö pääsee perille toimintakykyisenä ja terveenä. Massaa voi toisaalta myös säästyä miehstömoduulissa, koska nollapainovoiman vaatimia erikoisjärjestelyjä kuten ankaraa kuntosalitreeniä ei tarvita. Miehitettyä kahden toisiaan kiertävän moduulin systeemiä voisi kokeilla matalalla kiertoradalla. Se olisi tapa saada selville kuinka hyvin tai huonosti ihminen sopeutuisi Marsin kolmasosa- tai Kuun kuudesosapainovoimaan.

Kahdella massalla toteutettu keinopainovoima sopii muutaman hengen Mars-matkaan, mutta koon kasvaessa geometriaa kannattaa muuttaa. Professori Gerard O'Neill opiskelijoineen tutki Princetonin yliopistossa 1970-luvulla kilometrien kokoisia pyöriviä sylintereitä, joiden sisäpinnalla asuu kymmeniä tuhansia ihmisiä. Seinät ovat metrien paksuiset, jotta ne kestävät keskipakoisvoiman sekä sisällä olevan ilmanpaineen ja antavat maankaltaisen säteilysuojan. Rakennusmateriaalit saadaan asteroideilta, ja O'Neill ehdotti auringonvalon heijastamista sisään isoilla peileillä joiden liike matkii vuorokausirytmiä. Nykyään asteroidien materiaalit voisi rahdata sähköpurjealuksilla, ja valaiseminen onnistuisi hajautetusti ilman suurten liikkuvien osien aiheuttamaa luotettavuushuolta.

Sylinterit ovat massamielessä miljoona kertaa tehokkaampi tapa tuottaa elinpinta-alaa kuin planeetat. Maassa jalkojemme alla on tuhansia kilometrejä sulaa kiveä, mutta habitaatin seinäpaksuudeksi riittää muutama metri.  Aurinkokunnassa on paljon planeettaa pienempiä kappaleita, joilta raaka-aineiden nostaminen on helppoa.  Materia riittäisi niin suureen määrään habitaatteja että niiden yhteenlaskettu elinpinta-ala ylittäisi planeettojen pinta-alan moninkertaisesti, jopa monituhatkertaisesti, jos Kuiperin vyöhyke otetaan mukaan. Ja lisäksi on Oortin pilvi, jonka ulko-osat lyövät kättä naapuriaurinkokuntien kanssa.

Habitaatissa on oltava suljettu ekosysteemi, jossa aineet kiertävät täydellisesti. Risteilyalus on esimerkki ympäristöstä, jossa olisi kaupallista motiivia kierrättää aineita nykyistä enemmän, ja samalla - tietoisesti tai ei - harjoitella avaruudessa asumista. Suljetun kierron tekniikoita voidaan soveltaa tietysti myös Maan kaupunkeihin.  Planeetan pinnalla tosin vuodenaikojen ja sään vaihtelu tuo omat lisähaasteensa.

Keinotekoiset vapaan avaruuden sylinterit on ymmärtääkseni todennäköisin tapa, jolla ihminen ja elämä voisivat laajasti levitä Maan ulkopuolelle. Kuten aina elämän tapauksessa, leviämisen motiivina on parempi elämänlaatu ja uusi elintila, eli asiat jotka ihmisyhteisön tapauksessa ilmenevät abstraktimmin talouden kasvuna.

tiistai 30. tammikuuta 2018

Sähköpurjekolumni 45

Sähköpurjekolumni 30.1.2018

Edellisessä kolumnissa tuli haukuttua ESA:n lyttyyn koska he eivät tutkineet ehdotustamme CDF:ssä vaikka ensin niin sanoivat. CDF on ESA:n Concurrent Design Facility, se on työskentelymenetelmä jossa 10-20 ESA:n insinöörin tiimi suunnittelee avaruusaluksen prototyypin muutaman viikon aikana. CDF:llä on varta varten suunniteltu fyysinen tila ja softaympäristö ESTEC:ssä. Nyt täytyy vetää tylytykset takaisin, koska saamieni tietojen mukaan asteroidikiertoajelun CDF onkin käynnissä juuri tällä hetkellä. En tiedä mistä nämä käännökset johtuvat, tai ehkä kyse on ollut tiedonkulun takkuamisesta. Joka tapauksessa asteroidipullat ovat ESA:n uunissa. Missä kunnossa ne ovat kun pelti vedetään ulos, se jää nähtäväksi.

NASA MSFC (Marshall Space Flight Center, eli Wernher von Braunin aikoinaan johtama iso laboratorio Alabamassa, jossa kuuraketit kehitettiin) on tahollaan saanut valmiiksi sähköpurje-efektin voimakkuusmittauksensa plasmakammiossa.  Ne tulokset jotka näin viittasivat siihen suuntaan että sähköpurje-efekti olisi pikemminkin aiemmin arvioitu isompi kuin pienempi. NASA pyysi minulta kommentteja liittyen koetulosten analysoimiseen, joita annoin. Arvelisin että ellei jotain odottamatonta satu, NASA julkaisee tulokset lähikuukausien aikana.

Tammikuun alusta aloitti Suomen Akatemian rahoittama Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkö, jonka yksi osa sähköpurjetiimi on. Sähköpurje ja plasmajarruhan ovat kestävää avaruustoimintaa parhaimmillaan, koska plasmajarru estää kiertorataromun syntymistä ja sähköpurje on perinteisiin menetelmiin verrattuna todella halpa, nopea ja ympäristöystävällinen tapa päästä aurinkokuntaan. Huippuyksikköä vetää Minna Palmroth Helsingin yliopistosta. Hänen tiiminsä kehittää 6-ulotteista niinsanottua Vlasov-simulaatiomallia avaruusplasmalle ja erityisesti Maan magnetosfäärille. Vahvasti rinnakkaistettu supertietokoneessa pyörivä koodi liittyy lähiavaruuden säteily-ympäristön mallintamiseen. Säteilymallinnuksella on paljonkin tekemistä kestävän kehityksen kanssa, koska jos satelliitin säteilysuojaus on turhan järeä, se kasvattaa massaa joka lisää kustannuksia ja kiertorataromua, jos taas liian heiveröinen, satelliitin elektroniikka voi hajota ennen aikojaan jolloin satelliitti jää romuksi. Huippuyksikössä on lisäksi mukana Aalto-yliopisto rakentamassa cubesatteja sekä Turun yliopisto joka rakentaa pieniä säteilynilmaisimia. Huippuyksikön rahoitukseen kuuluu myös cubesattien laukaisurahaa, mikä on erityisen tervetullutta ja Suomen Akatemian historiassa varmaankin ensimmäinen kerta. Huippuyksikkö jatkuu vähintään 5 ja todennäköisesti 8 vuotta. Tämä rahoituksen pitkäjänteisyys on sekin mukava juttu. Vaikka kuinka yritämme tehdä asioita nopeasti ja kehitämme tekniikoita kuten sähköpurje jotka nopeuttavat matka-aikoja, avaruustoiminta on silti edelleen hitaammin etenevää kuin maanpintasovellusten kehittyminen.






maanantai 30. lokakuuta 2017

Sähköpurjekolumni 44

Sähköpurjekolumni 30.10.2017

Pari kolumnia sitten kerroin että ESA:n tiedeohjelma valitsi helmikuussa 2017 sähköpurjeeseen perustuvan Multi asteroid touring -ehdotuksemme jatkokehitykseen "Call for new ideas" -kutsusta. Ehdotuksessamme 50 piensatelliitin parvi lennätetään yksiliekaisilla sähköpurjeilla tekemään asteroidien ohilentoja niin että saadaan lähikuvia 300 asteroidista. Nyt kuitenkin ESA sotkeutui pasmoissaan ja selvittääkin jotakin aivan muuta, eli yhden asteroidin tutkimista tutkalla. Sellaisellekin toki löytyy tiedeyhteisöstä tukea, kun kysytään sopivilta henkilöiltä. Mutta on outoa että ensin kootaan 27-jäseninen professoriraati iteroimaan ja valitsemaan 26 saapuneesta ehdotuksesta kolme parasta, sitten yhden niistä eli sen ainoan aurinkokuntaehdotuksen kohdalla aihe korvataankin yllättäen mustalla hevosella, joka ei sitäpaitsi ole mikään uusi idea koska lensi jo Rosettassa.

ESA:han toisaalta rahoittaa sähköpurjeen avulla tehtävän asteroidimission tutkimustamme jo 2016 alusta alkaen. Nyt oli kyse siitä että ESA:n Concurrent Design Facility -tiimi olisi myös osaltaan katsonut teknistä toteutettavuutta noin neljän viikon ajan.

Löytyisiköhän järkevyyttä muualta maailmankaikkeudesta? SETI-hankkeet ovat etsineet radioviestejä, mutta mitään ei ole toistaiseksi löytynyt. Samaan aikaan oma radiovuotomme on pienentynyt, kun yleisradiotyyppiset voimakkaat lähettimet vähenevät ja heikkotehoiset kännykät ja WLAN-verkot yleistyvät. Jos muukalaiset tekevät samoin, niiltä ei vuoda radiosignaaleita.

On teoriassa mahdollista että muukalaiset suuntaisivat radioviestin tarkoituksella meille. En pidä sitä kuitenkaan todennäköisenä, koska samalla he tulisivat paljastaneeksi meille oman olinpaikkansa, eikä myöskään todennäköisyys että vastaisimme jotain ymmärrettävää olisi kovin korkea.  Nimittäin ehkä emme huomanneet viestiä tai olimme varovaisia ja päätimme olla vaiti. Parhaassakin tapauksessa pitkä kommunikaatioviive tekisi dialogista hitaan.

Jos on mahdollista tehdä tähtienvälisiä luotaimia, niiden käyttäminen tuntuu radiota houkuttelevammalta vaihtoehdolta. Näin pohti kaukonäköinen herra Bracewell vuonna 1960. Luotain ei paljasta lähettäjänsä olinpaikkaa ja se voi vuorovaikuttaa löytämiensä älykkäiden olentojen kanssa lähietäisyydeltä käyttäen tekoälyään. Toisin kuin radioviestissä, vuorovaikutus voi olla hienotunteisempaa: lähettäjä voi säätää vaikuttaako operaatio kohdelajin maailmankuvaan vähän, paljon tai ei ollenkaan.

Entä motivaatio? Muukalaiset halunnevat olla selvillä galaksin muista teknisistä lajeista - kenties uteliaisuuttaan, ja koska varuillaanolo on järkevää. Vapaatahtoisten lajien käytöksen ennustaminen on vaikeampaa kuin luonnonilmiöiden, joten ne voivat olla uhka, toisaalta ehkä myös mahdollisuus.

Suuri matkanopeus ei ole välttämätön, mutta tähtienvälisen älyluotaimen on oltava pitkäikäinen ja itseään korjaava, jotta se selviytyy matkasta ja jaksaa valvoa kohteensa kehitystä kauan. Mikään luonnonlaki ei kai varsinaisesti estä sellaisen rakentamista.  Jos vanhat sivilisaatiot osaavat kaiken mahdollisen, niin ehkä silloin myös tuon. Vanha sivilisaatio on toisaalta se minkä todennäköisimmin tapaamme. Olisihan nimittäin harvinainen sattuma, jos joku naapuri olisi teknistynyt juuri samalla vuosituhannella kuin me.

Voi olla jopa todennäköistä että jos galaksissa on yksikin pitkäikäinen tekninen laji, se on ulottanut havaintoverkkonsa meidänkin aurinkokuntaamme jo miljoonia tai miljardeja vuosia sitten. Siinä tapauksessa paikallinen päivystävä älyluotain lienee jo noteerannut ihmislajin teknistymisen, ja tieto siitä leviää nyt valon nopeudella pitkin galaksin kattavaa linkkiasemaverkkoa.

Entä Fermin paradoksi: jos yksikin vanha sivilisaatio on olemassa, miksei se olisi lisääntynyt ja täyttänyt galaksia? Mikseivät ne asuta myös Maata ja miksei Dysonin palloja näy? No, Maata ne eivät asuta varmaankaan siksi että tekninen laji ei viihdy luonnonkatastrofien ja sään pieksemillä planeetoilla, vaan keinotekoisilla avaruusasemilla joita voi rakentaa mihin tahansa missä on pienkappaleita raaka-aineeksi. Avaruusasemat eivät myöskään tarvitse tähteä, vaan ainoastaan vetyä tai muuta ydinpolttoainetta jota voi kuluttaa omaan tahtiin. Kiinnostavia paikkoja muukalaisille saattavat olla esimerkiksi epäonnistuneita tähtiä ympäröivät aurinkokunnat. Pimeän epäonnistuneen tähden yläilmakehästä voi napata vetyä ellipsiradalla olevalla aluksella. Kun galaksin viimeinen punainen kääpiötähti on sammunut joskus kymmenien tuhansien miljardien vuosien kuluttua, epäonnistuneita tähtiä hyödyntävä sivilisaatio on vasta elinkaarensa alkumetreillä.

NASA:n PSOJ318.5-22 juliste "Where the nightlife never ends"

torstai 31. elokuuta 2017

Sähköpurjekolumni 43

Sähköpurjekolumni 31.8.2017

Sähköpurjeella Kuuhun meneminen on vähän kuin menisi lentäen Malmilta Helsinki-Vantaalle. Mutta yksi haaste kuututkimuksessa on että Kuuta kiertävät radat tuppaavat olemaan epästabiileja koska Kuun painovoimakenttä on niin kuoppainen. Kuuta kiertävät alukset tarvitsevat jatkuvaa propulsiota radan ylläpitoon, ja sähköpurje voisi soveltua siihen. Kuun lähellä painovoimagradientti voi tosin häiritä pyörivää moniliekaista sähköpurjetakilaa, mutta jos alus on pienehkö, voidaan käyttää yksiliekaista laitetta jossa lieka roikkuu pystysuorassa painovoimagradientin avulla. Eli samanlainen järjestely kuin perusplasmajarrussa.

Magneettikenttää Kuulla ei juuri ole, joten sähköpurjeen tarvitsema aurinkotuuli pääsee Kuun pintaan asti. Yöpuoli on tosin aurinkotuulen katveessa, mutta ratakorjauksiin riittää päiväpuolenkin propulsio. Ratakierroksellaan Kuu viettää 2/3 ajasta aurinkotuulessa ja loput Maan magnetosfäärin sisällä, jossa plasmavirtaus on erilaista. Tuo reilun viikon mittainen magnetosfäärikatve ei ole radan ylläpidon kannalta vielä ongelma.

ESA pyysi viime vuonna ehdotuksia Kuuta kiertäviksi cubesateiksi, ja laadimme suunnitelman jossa 3-U cubesat kuvaa Kuun pimeän puolen mikrometeorivälähdyksiä ja ylläpitää matalaa kiertorataansa yksiliekaisen sähköpurjeen avulla. Ehdotustamme ei valittu, mutta sen sijaan he valitsivat toisen jossa oli sama tiedepäämäärä, eli Kuun pinnan käyttäminen mikrometeoroididetektorina. Siinä rata oli korkeampi koska sähköpurjetta ei ollut käytössä ja kamera ja alus vastaavasti paljon painavampia kuin meillä.

Kuu on toisaalta houkutteleva ja toisaalta vaikea paikka toimia. Kuu on ainoa taivaankappale joka on niin lähellä että Maasta käsin voidaan teleoperoida robottia siedettävällä kahden sekunnin viiveellä. Siinä mielessä se olisi hyvä paikka harjoitella esimerkiksi asteroidien kaivostoimintaa. Mutta suuri lämpötilaero päivän ja yön välillä sekä yön pitkä kesto ovat haasteita varsinkin pienille laskeutujille. Myös liikennöinti Kuuhun on kallista, koska laskeutuminen ja nousu vaativat kemiallisen raketin ja Kuusta on vaikea löytää polttoainetta tankattavaksi. Napojen huippukylmissä auringottomissa kraattereissa vesijäätä tosin ilmeisesti on. Uusille keksinnöille olisi tilausta kuuasioissa.




maanantai 27. maaliskuuta 2017

Sähköpurjekolumni 42

Sähköpurjekolumni 27.3.2017

ESA:n tiedeohjelma valitsi sähköpurjeeseen perustuvan asteroidimissioideamme jatkokehitykseen. ESA pyysi 2016 ehdotuksia uusiksi tiedeohjelman missioideoiksi (Call for new ideas). Ehdotuksia saapui Euroopasta 26 kappaletta ja ESA valitsi jatkoon kolme: yhden kvanttifysiikan peruslakeja tutkivan hankkeen, yhden tähtien tarkkoja paikkoja mittaavan ehdotuksen, sekä meidät.

Ehdotuksemme on lähettää parvi 4-5 kg painoisia yksiliekaisia aluksia tekemään asteroidien ohilentoja. Kukin alus koukkaa sähköpurjettaan käyttäen asteroidivyöhykkeen kautta ja tekee matkallaan 6-7 asteroidin ohilentoa. Missio kestää vähän yli kolme vuotta, ja lopuksi alukset lentävät Maan läheltä jotta flash-muistiin talletettu data saadaan siirrettyä maahan. Jos aluksia on esimerkiksi 50, niiden laukaisemiseen sopii PSLV-raketti ja saadaan tutkittua yli 300 asteroidia. Ohilentoetäisyys on noin 1000 km. Aluksissa on pieni 4 cm halkaisijainen teleskooppi ja spektrometri joilla asteroidien pinnanmuodot kuvataan ja niiden mineraalikoostumus mitataan. Samaa teleskooppia käytetään myös autonomiseen navigointiin käyttäen apuna tunnettuja asteroideja. Teleskoopin suuntaaminen kohti asteroideja onnistuu, koska lieka on kiinnitetty aluksen massakeskipisteeseen. Aluksen ja sen toisessa päässä olevan kiinteän teleskoopin voi siis suunnata kohteeseen reaktiopyöriä käyttämällä ilman että lieka sitä suuremmin häiritsee.

Ehdotuksemme on kustannustehokas tapa hankkia dataa asteroideista tieteen, vaarallisten asteroidien torjunnan ja asteroidien kaivostoiminnan tarpeisiin. PSLV-laukaisu maksaa 20 miljoonaa ja koko missio 50-150 miljoonaa riippuen kuka sen toteuttaa. Yhden asteroidin lähikuvat maksavat siis vain muutaman sata tuhatta euroa ja ne saa kolmen vuoden päästä laukaisusta. Missioarkkitehtuuri on myös hyvin skaalautuva, koska alusten lukumäärä voi olla periaatteessa mikä tahansa. Laukaiseminen on joustavaa ja onnistuu myös pienemmissä paloissa oheishyötykuormina, jos niin halutaan.  Sähköpurjelieka on uutta tekniikkaa jonka luotettavuudesta ei ole vielä käytännön kokemusta, mutta koska aluksia on paljon, missio onnistuu vaikka osa aluksista pettäisi.  Lisäksi koska yhdessä aluksessa on vain yksi lieka, luotettavuus per alus on periaatteessa korkeampi kuin moniliekaisessa purjeessa.

ESA järjestää ehdotuksemme ympärille kesällä kutsukokouksen, johon saapuu eurooppalaisia asteroiditutkijoita ja muita asiantuntijoita. ESA aikoo tiedottaa asiasta julkisesti kokouksen jälkeen.

Ehdotuksemme nimi oli vähän arkipäiväisesti Multi-asteroid touring. Nasevampi nimi on mietinnässä.  Yksi ehdotus on TOURIST. Avaruusturismia tämäkin!

tiistai 24. tammikuuta 2017

Sähköpurjekolumni 41

Lennokkikerholla aurinkokuntaan?

Sähköpurjekolumni 24.1.2017

Avaruustoiminta on kallista koska propulsio maksaa.  Esimerkiksi hydratsiinin käsittelyn vaatiman infrastruktuurin ylläpito maksaa organisaatiolle noin 2 miljoonaa vuodessa. Kiinteä moottori on yksinkertainen, mutta ennen pääsyä kantoraketin kyytiin se on todistettava turvalliseksi monin kokein ja analyysein. Sähkörakettimoottorissa puolestaan hintaa nostavat kehitystyössä tarvitut pitkät kokeet isoissa tyhjiökammioissa sekä ajoaine ksenonin korkea hinta. Lisäksi jos sähköraketilla noustaan LEO:ta korkeammalle radalle, hyötykuorma joutuu viettämään pitkähkön ajan säteilyvyöhykkeissä, mikä lisää elektroniikan kustannuksia tai säteilysuojamassaa.

Sähköpurje voi ratkaista propulsiokysymykset aurinkokuntalennoissa, mutta ensin aluksen on päästävä magnetosfäärin ulkopuolelle aurinkotuuleen.

Tietenkin avaruustoiminta halpenee myös jos kantorakettipropulsio halpenee. Pienten alusten pulmana on kuitenkin myös pienten kantorakettien puuttuminen markkinoilta. Pieniä aluksia tarvitaan jotta uudet pienet toimijat pääsevät markkinoille uusilla teknologioillaan.

Hybridiraketti on yksi tapa ratkaista näitä ongelmia. Hybridimoottorin polttoaine on vaaratonta, esimerkiksi muovia tai parafiinivahaa. Hapettimena voi olla esimerkiksi nestehappi tai typpitetroksidi. Typpitetroksidi on myrkyllistä mutta ei kuitenkaan karsinogeenistä, ja typpitetroksiditankki ei voi räjähtää itsestään koska aine ei sisällä kemiallista energiaa. Puhdas typpitetroksidi voi säilyä tankissa huoneenlämpötilassa pitkän ajan ja sitä käytetään perinteisessä tekniikassa hydratsiinin hapettimena. Uudempi hybridirakettien ehdotettu polttoainesekoitus "Nytrox" on nestehapen ja nestemäisen ilokaasun seos. Sen suorituskyky on jonkin verran nestehappea huonompi, mutta säilytyslämpötila -40..-60 C on helpompi kuin nestehapella. Nytroxin pitäisi myös olla puhdasta ilokaasua turvallisempaa, koska tankkiin muodostuva höyry ei ole ilokaasua vaan happea.

Hyvin pientä hybridirakettia voisi käyttää ratamuutokseen esimerkiksi seuraavasti. GTO-radalle laukaistaan jonkin ison kantoraketin oheishyötykuormana cubesat.  Alus tuottaa hybridimoottorillaan 500 m/s nopeusmuutoksen, mikä nostaa radan ylimmän pisteen aurinkotuuleen. Siellä alus avaa yksiliekaisen sähköpurjeen ja purjehtii ottamaan lähikuvia asteroideista esimerkiksi asteroidien kaivosfirman tarpeisiin. Data siirretään maahan suorittamalla lopuksi Maan ohilento. Alus olisi mahdollista rakentaa lähes harrastelijavoimin. Jos lisätään aurinkopaneelien pinta-alaa ja pidennetään mission kesto kahdeksaan vuoteen, alus voisi käydä jopa ottamassa kuvia jostain troijalaisasteroidista ja tehdä tiedehistoriaa. Troijalaisten koostumus kertoo nimittäin aurinkokunnan historiasta eli siitä miten planeetat päätyivät nykyisille radoilleen.

Toinen moderni vaihtoehto on monopropellanttimoottori, jossa perinteinen hydratsiini on korvattu jollain turvallisemmalla kemikaalilla. Kaikki monopropellantit ovat kuitenkin määritelmän mukaan energeettisiä yhdisteitä jotka voivat ainakin teoriassa räjähtää myös itsestään. DARPA lopettikin vuonna 2015 turvallisuussyistä ALASA-ohjelmansa, jonka tavoitteena oli käyttää erästä uutta monopropellanttia kantoraketissa. Ruotsalainen ECAPS-firma sen sijaan jatkaa oman monopropellanttinsa kaupallistamista ja on jo testannut sitä onnistuneesti kiertoradalla.

Olisiko tuon pienen sähköpurjeluotaimen laukaiseminen mahdollista pienellä hybridikantoraketilla, esimerkiksi sillä North Starilla jota norjalaiset kehittävät?  Periaatteessa kyllä. Esimerkiksi kiinteää rakettia käyttävän lentokoneesta laukaistavan Pegasus-raketin hyötykuormasuhde LEO:lle on noin kaksi prosenttia (hyötykuorma on 443 kg ja lähtömassa 23 tonnia). Suunnilleen sama massasuhde pätee pienelle hybridiraketillekin: hybridin ominaisimpulssi on hieman kiinteää korkeampi, mutta toisaalta pieni koko alentaa ominaisimpulssia hieman. Esimerkiksi jos kantoraketin lähtöpaino olisi yksi tonni, LEO:lle päätyisi 20 kg kuorma ja pakoradalle noin 5 kg paketti, mikä riittäisi pienen aurinkokuntaluotaimen massaksi. Tonnin painoinen kantoraketti voitaisiin laukaista esimerkiksi Hornet-hävittäjän ripustimesta.  Innostuisikohan Ilmavoimat piensatelliittien laukaisemisesta?

perjantai 28. lokakuuta 2016

Sähköpurjekolumni 40

Sähköpurjekolumni 28.10.2016

Voisiko sähköpurjeella helpottaa kantorakettien tehtävää eli nousemista kiertoradalle? Ei suoraan, mutta ehkä välillisesti: Haetaan sähköpurjeilla asteroideilta sopivaa raaka-ainetta kuten vettä, tuodaan se matalalle kiertoradalle, tehdään siitä rakettipolttoainetta ja suoritetaan kantoraketin kakkosvaiheen välitankkaus, jonka turvin kakkosvaihe pystyy laskeutumaan Maahan uudelleenkäyttöä varten. Uudelleen tankattu rakettivaihe suorittaa 7 km/s jarrutuspolton ja putoaa lähes pystysuoraan ilmakehään. Lämpösuojausta ei juuri tarvita, mikä pienentää kantoraketin massaa ja huoltokuluja.  Tankkia ei tarvitse täyttää kokonaan, koska paluuvaiheessa kuormana on yleensä vain vaiheen oma massa ilman hyötykuormaa. Tuloksena on kokonaan uudelleenkäytettävä kantorakettijärjestelmä, jonka massasuhde ei ole juurikaan perinteistä kertakäyttöistä laukaisinta huonompi ja joka ulkoisestikin muistuttaa perinteisiä raketteja.  Mutta kiertoradalla tarvitaan polttoaineen lähde.

Asteroidien lisäksi rakettipolttoainetta voidaan tuottaa yläilmakehän kaasusta. Matalalla lentävän satelliitin sopivasti muotoillussa etumaskissa voi olla törmääviä ilmamolekyylejä säiliöön keräävä tyhjiöpumppu. Laboratoriossahan tyhjiöpumppuja on monenlaisia ja niitä käytetään tyhjiön tuottamiseen, mutta nyt ollaan kiinnostuneita pumpun tuottamasta kaasusta eikä sen luomasta tyhjiöstä jota avaruudessa riittää muutenkin. Satelliitissa on lisäksi ilmaa ajoaineenaan käyttävä sähkörakettimoottori (ionimoottori tai Hall-moottori), joka kompensoi satelliitin ilmanvastuksen ja ylläpitää aluksen rataa. Euroopan avaruusjärjestö on kehittänyt tällaista ilmaa hengittävää sähkörakettia. Sähköraketin suihkun nopeus (tyypillisesti 20-40 km/s) on paljon 8 km/s ratanopeutta korkeampi, joten sähköraketti itse kuluttaa periaatteessa vain osan kerätystä ajoaineesta. Sähkörakettimoottorin ja ajoaineen välivarastona toimivan tankin avulla satelliitti voi muuttaa ratakorkeuttaan ja radan inklinaatiota. Sopivasti muotoillun rungon aerodynamiikkaa voi lisäksi käyttää hyväksi radan inklinaatiomuutosten vahvistamiseen.

Tällainen satelliitti on tavallaan 150-250 km korkeudella operoiva aurinkosähköllä toimiva lentokone, joka ei uhmaa painovoimaa siivillä vaan suuresta nopeudesta johtuvan ympyräradan keskipakoisvoiman avulla, mutta käyttää ympäröivää ohutta ilmaa työntövoiman tuottamiseen ja radan muuttamiseen.

Tekniikka mahdollistaa siis matalalla lentävän satelliitin, joka pystyy muuttamaan rataansa mielivaltaisesti eikä silti kuluta ajoainetta vaan päinvastoin voi jopa tuottaa sitä. Matala lentokorkeus tekee satelliitin immuuniksi kiertorataromulle: se ei kärsi olemassaolevasta romusta eikä tuota uutta romua. Matalasta lentokorkeudesta on lisäksi etua monissa satelliittien sovelluksissa kuten kaukokartoituksessa ja tietoliikenteessä. Tekniikan yksi mahdollinen lisäsovellus saattaisi ehkä olla kantoraketin tankkaus kiertoradalla propulsiivista paluuta varten.

Koska yläilmakehä koostuu lähinnä typestä ja hapesta, menetelmällä voi tuottaa hapetinta, mutta ei polttoainetta.  Hapetin on kuitenkin polttoainetta raskaampi komponentti, joten senkin tuottamisesta paikallisesti olisi merkittävä etu. Polttoainetta täytyy nostaa perinteiseen tapaan maasta tai sitä voidaan tuoda asteroideilta sähköpurjeella ja ilmajarrutuksella.

tiistai 23. elokuuta 2016

Sähköpurjekolumni 39

Sähköpurjekolumni 23.8.2016

Lähetämme syyskuussa ESA:lle ehdotuksen, jossa sähköpurjeilla varustettu cubesat-laivasto tutkii satoja asteroideja lentämällä niiden ohi pienen kameran kanssa. Kukin alus on varustettu yhdellä 10-20 km pitkällä sähköpurjeliealla ja lentää usean asteroidin ohitse. Ohilennon data talletetaan aluksen flash-muistiin. Lopuksi kukin alus suorittaa Maan ohilennon, jonka aikana kaikki kertyneet datat siirretään maa-asemalle. Lento asteroidivyöhykkeen läpi tapahtuu autonomisesti käyttäen navigointiin lähiasteroideja. Asteroidien kaukokartoitus- ja navigointi-instrumentti on Aalto-1:ssä lentävän VTT:n spektrikameran perillinen jota VTT kehittää tällä hetkellä eteenpäin myöskin ESA:n AIM-nimistä asteroidimissiota varten. Lennon tuloksena tulemme näkemään satoja asteroideja lähikuvissa ja voimme lisäksi saada selville niiden pinnan mineraalikoostumuksen infrapunaspekristä. Jos cubesat-laivastossa on esimerkiksi 50 alusta, se voidaan laukaista esimerkiksi intialaisten PSLV-kantoraketilla, joka jaksaa nostaa pakoradalle noin 500 kg kuorman.

Sähköpurje mahdollistaa tämän uudentyyppisen asteroidien tutkimusmenetelmän. Lisäksi mahdollistajia ovat flash-muistien kasvanut datatiheys sekä kameratyyppisten instrumenttien minityrisoituminen. Datan tallentamista luotaimeen tarvitaan, sillä jos laivaston kaikkiin aluksiin pidettäisiin jatkuvaa radioyhteyttä, operointikulut nousisivat korkeiksi ja aluksissa pitäisi myös olla jonkinlainen suunnattava high gain -antenni. Jos puolestaan kamera olisi painavampi, alukset tarvitsisivat moniliekaisen sähköpurjeen ja aluksia mahtuisi kyytiin vähemmän. Moniliekaisen sähköpurjeen tapauksessa kamerainstrumentti pitäisi lisäksi todennäköisesti asentaa kääntyvälle alustalle, jotta se voisi nähdä asteroidin riippumatta pääaluksen asennosta joka seuraa liekatakilan asentoa. Yksiliekaisessa aluksessa tilanne on helpompi koska itse alusta voidaan käännellä riippumatta liean orientaatiosta. Silloin kamerateleskooppi voidaan asentaa kiinteästi 3-U cubesatpötkön toiseen päähän.

Kutsu johon ehdotuksemme menee on ESA:n erityinen, melko harvoin toistuva ideakutsu. Siinä avaruusjärjestön tiedeohjelma pyytää uusia ideoita ohi normaalien missioehdotuskäytäntöjen. Normaaleissa missioehdotuksissa kaikkien käytettävien tekniikoiden pitää olla lähes lentovalmiita (TRL-taso 6), mutta ideakutsussa tällaista vaatimusta ei ole. Haluamme saada ESA vakuuttuneeksi siitä että sähköpurjeen avulla voidaan toteuttaa missio joka tuottaa enemmän asteroiditiedettä kuin kaikki aiemmat asteroidilennot yhteensä eli tuottaa lähikuvia ja spektrejä sadoista asteroideista. Verrattuna muihin ESA:n tiedemissioihin ehdotus on myös rahallisesti halpa koska laukaisumassa on pienin saatavilla oleva ja identtiset piensatelliitit voidaan rakentaa sarjatyönä.

keskiviikko 23. maaliskuuta 2016

Sähköpurjekolumni 38

Sähköpurjekolumni 23.3.2016

Aalto-1 odottaa laukaisua, eikä siitä tällä kertaa sen enempää. Hyötykuormamme luovutettiin pääsiäisenä 2015 eli se on odottanut laukaisemista noin vuoden.  ESTCube-1 ja Aalto-1 ovat olleet esillä sähköpurjekolumnissa monesti, viimeksi numerossa 2/2015.

Kirjoitan tällä kertaa vähän yleisemmästä aiheesta eli cubesat-ohjelman aikaansaamisesta. Cubesatin ajatuksena on olla halpa, helppo ja nopea tapa päästä avaruuteen. Yksikin cubesat on hyvä juttu, mutta vasta jatkuvasti pyörivä cubesat-ohjelma alkaa tuottaa sellaisia hyötyjä joiden takia formaatti luotiin. Näitä hyötyjä ovat uusien teknisten ratkaisujen nopea testaaminen, järkevä riskitaso, uusien avaruusinsinöörisukupolvien kouluttaminen ja tuoreen tekniikan saaminen taivaalle operatiiviseen käyttöön.

Cubesat-hankkeet kuitenkin luisuvat helposti takaisin vanhaan tekemisen malliin, jossa satelliittia tehdään monta vuotta, se on melko monimutkainen ja jossa "epäonnistua ei saa koska tämä maksaa niin paljon" (muistan kuulleeni tämän lauseen jossain Aalto-satelliitin palaverissa vuosia sitten). Avaruustekniikan yksi peruslaki on kuitenkin että jos epäonnistuminen ei ole vaihtoehto, onnistuminen voi tulla hyvin kalliiksi.

Mitä tiheämmin ohjelmassa laukaistaan, sitä pienempi peikko yksittäinen epäonnistuminen on ja sitä enemmän riskejä voidaan ottaa, sitä nopeammin satelliitti voidaan rakentaa ja sitä halvemmaksi hanke tulee. Jos sykli on nopea, taivaalle saadaan tuoretta eli tehokasta tekniikkaa ja satelliitin tulos saadaan nopeasti käyttöön. Jos on kyse opiskelijasatelliitista, opiskelijatiimiä ei tarvitse vaihtaa kesken hankkeen, jolloin opiskelijoiden motivaatio on korkea koska he pääsevät operoimaan itse rakentamaansa laitetta avaruudessa. Sitäpaitsi rakentaja on maailman paras asiantuntija omansa laitteensa operoinnissa.

Jotta cubesat-ohjelma syntyisi, sellaisesta pitää tehdä päätös. Pitää päättää suuntaviivat: kuinka usein ja minkä kokoisia satelliittia laukaistaan ja/tai laukaisuihin käytettävä vuosibudjetti, joka on voimassa toistaiseksi. Jos laukaisubudjetti on pieni, satelliitteja kannattaa pienentää mieluummin kuin tinkiä laukaisutiheydestä. Jos rahaa on vielä vähemmän, pienennetään satellitteja lisää. Alarajaa ei ole: maailmalla puhutaan CD-levyn kokoisista taskusatelliiteista ja 5 cm kuutioista joita mahtuu normaalin 1-U cubesatin tilavuuteen 8 kappaletta.

Cubesatteja ovat jo laukoneet monet maat ja yliopistot, ja Suomi on tässä asiassa enemmänkin viimeisten kuin ensimmäisten joukossa. Hyvin toimivia nopean syklin cubesat-ohjelmia on maailmassa kuitenkin edelleen melko harvassa, joten niiden saralla eturintamassa on vielä tilaa.

Jos cubesat-laukaisujen ostamiseen käytettäisiin yksi prosentti Suomen vuotuisesta ESA-jäsenmaksusta eli 200,000 euroa, sillä saisi aikaan jo jotain järkevää. Rahasta ei tämä asia oikeasti ole kiinni, mutta virallinen päätös on tarpeen jatkuvuuden takia.

keskiviikko 27. tammikuuta 2016

Sähköpurjekolumni 37

Sähköpurjekolumni 27.1.2016

Lyhyen tähtäimen aurinkotuulisäätä ennustetaan Auringon ja Maan välistä Lagrangen L1-pistettä kiertävillä luotaimilla. Alukset mittaavat aurinkotuulen plasmatiheyttä, nopeutta ja magneettikenttää 1.5 miljoonaa kilometriä ylävirtaan Maasta, mikä aurinkotuulen nopeudesta riippuen vastaa 0.5-1 tunnin viivettä. Tämä on hyödyllistä, mutta ennakointiaika saisi olla vähän pitempi.  Sähköpurjetta käyttämällä luotain voisi hieman vastustaa työntövoimallaan Auringon painovoimaa ja sijaita lähempänä Aurinkoa, jolloin ennakointiaika voisi pidentyä enimmillään kaksinkertaiseksi. Aurinkotuulen plasmatiheys selviää mittaamalla jännitteellisen sähköpurjeliean keräämä sähkövirta, aurinkotuulen nopeus voidaan laskea aluksen kiihtyvyysanturin mittaamasta sähköpurjeen työntövoimasta, ja aurinkotuulen magneettikenttä voidaan mitata puomin päässä olevalla pienellä magnetometrillä. Kaikki tämä mahtuu periaatteessa 3-U -cubesattiin. Radioyhteyden kommunikaatioetäisyys on pitkä, mutta koska alus pysyy koko ajan Aurinkoon ja Maahan nähden jokseenkin samassa asennossa, kommunikaatio voitaneen hoitaa litteillä satelliitin takapintaan kiinnitetyillä patch-antenneilla. Yhdellä sähköpurjeliealla varustettu muutaman kilon painoinen cubesat pystyisi siis ennustamaan aurinkotuulta kaksi kertaa pitemmälle tulevaisuuteen kuin olemassaolevat menetelmät, jotka lisäksi ovat kertaluokkaa kalliimpia.

Jos halutaan ennustaa aurinkotuulta vuorokausien päähän tai jos halutaan ennustaa mitä tahansa Auringon röntgen-, UV- ja energeettisten hiukkasten emissioita, pitää mitata itse Aurinkoa ja pyrkiä ennustamaan sen purkauksia. Tässä on monia haasteita, joista yksi on että koska Auringon pyörähdysaika on vajaa kuukausi, meiltä piilossa Auringon takana saattaa olla kehittymässä uutta toimintaa. Tähän tarvittaisiin periaatteessa joukko Aurinkoa kiertäviä luotaimia. Vähän halvempi vaihtoehto on panna luotain Auringon ja Maan Lagrangen L5-pisteeseen, joka muodostaa Auringon ja Maan kanssa tasasivuisen kolmion. Luotain näkee silloin Auringon 60 astetta eri kulmasta kuin Maa ja havaitsee Auringon takaa esiin vyöryvät seudut yli 4 vuorokautta aiemmin kuin Maa.  L5-piste on vakaa, joten luotaimen pitäminen siellä ei vaadi työntövoimaa. Luotain voitaisiin viedä paikalleen perinteisellä menetelmällä tai sähköpurjeella.

Revontulet, indusoituvan sähkökentän aiheuttamat uhat maanpäälliselle sähköverkolle ja säteilyriskit satelliiteille riippuvat enimmäkseen aurinkotuulesta, jota siis voidaan tällä hetkellä ennustaa tarkasti 0.5-1 tunnin päähän (riippuen aurinkotuulen nopeudesta) ja sähköpurjeella 1-2 tunnin päähän. Häiriöt radioliikenteessä puolestaan johtuvat ionosfäärin plasmatiheyden kasvusta, joka riippuu revontulista ja Auringon suorasta UV-säteilystä.  Säteilyriskit Kuuhun tai Marsiin matkaaville astronauteille ja korkealla lentäville lentokoneille tulevat pääosin Auringon hiukkaspurkauksista, jotka samoin kuin UV-säteily ovat äkillisiä, suoraan Auringon pinnan toiminnasta johtuvia ilmiöitä.

Avaruussään ennustaminen nojaa siis yhtäältä Maan ylävirran aurinkotuulen mittaamiseen ja toisaalta Auringon pintatoiminnan seuraamiseen eri havaintosuunnista. Sähköpurjeella olisi paljon annettavaa ensimmäiseen ja merkittävästi myös jälkimmäiseen.

tiistai 24. marraskuuta 2015

Sähköpurjekolumni 36

Onko nimi enne: Phobos

Sähköpurjekolumni 24.11.2015

Phobos-kuu

(Kyseisen Avaruusluotaimen numeron teemana oli Marsin valloituksen historia.)

Hiljattain ilmestyi tutkimus jossa todettiin että Marsin matalalla kiertävässä 20-kilometrisessä Phobos-kuussa näkyy vuorovesivoiman aiheuttamia halkeamia.  Tutkimuksessa ennustettiin että koska kuun rata alenee 2 cm vuodessa, vuorovesivoima kasvaa ja kuu hajoaa todennäköisesti 30-50 miljoonassa vuodessa.

Phobosta hajottamaan pyrkivät vuorovesivoimat ovat heikkoja, mutta toisaalta kappalekin on hauras.  Arvelisin että kuun hajoaminen on vähän kuin maanjäristys: tiedetään että tapahtuma tulee joskus, mutta täsmällistä aikataulua ja seurauksia on vaikea ennustaa. Jos hajoamisessa vapautuu kiviä, soraa ja pölyä, ne jäävät kiertämään planeettaa, jolloin ne saattaisivat uhata avaruustoimintaa Marsissa. Riski sille että kappaleita putoaisi suoraan Marsin pinnalle lienee pieni, koska siihen tarvittaisiin 500 m/s nopeuden muutos. Nykyisellä radan alenemisvauhdilla 2 cm vuodessa Phoboksen materia putoaa planeetan pinnalle parinsadan miljoonan vuoden kuluttua.

Onko Phoboksen mahdollinen hajoaminen asia joka pitäisi ottaa huomioon miehitetyn Mars-toiminnan suunnittelussa?  Todennäköisyys hajoamiselle lähivuosisatoina on pieni, ja vaikka se tapahtuisikin, siitä voitaisiin hyvinkin selvitä säikähdyksellä. Pinnalle ei varmaankaan suoraan tipahtaisi mitään, ja vaikka kiertoradalle pahimmassa tapauksessa syntyisikin jonkinlainen sorarengas, sen ja planeetan väliin jäisi tilaa niin että avaruusliikenne Marsiin olisi edelleen mahdollista. Rengas olisi kuitenkin pitkäaikainen harmi, joten saatettaisiin jossitella miksei hajoamista estetty esimerkiksi Phoboksen ympärille asennetulla teräsverkolla silloin kun kappale oli vielä ehjä.

Jos Phoboksella tai Deimoksella sattuisi olemaan kaivettavissa olevaa vettä (jäätä, kidevettä tai kemiallisesti sitoutunutta vetyä) riittävän lähellä pintaa, niitä voisi käyttää miehitetyn Mars-liikenteen tarvitseman kryogeenisen rakettipolttoaineen valmistukseen ilman että vettä tarvitsee kaivaa ja tuoda kauempaa asteroidivyöhykkeeltä. Oli Marsin kuilla vettä tai ei, kaivostoimintamielessä ne ovat joka tapauksessa merkittäviä potentiaalisia raaka-ainelähteitä. Niiden aurinkokunnan pienkappaleiden joukossa joiden keskietäisyys auringosta on enintään 1.9 au on nimittäin vain yksi Phoboksen ja Deimoksen kokoinen kappale, eli kiviasteroidi Eros. Pienkappaleilta voidaan nostaa ainetta lähes ilmaiseksi verrattuna Kuuhun ja Marsiin, Maasta ja Venuksesta puhumattakaan. Phobos, Deimos ja Eros ovat siis sisäaurinkokunnan suurimmat helposti hyödynnettävät kivisen raaka-aineen esiintymät. Pinnalta nostamisen jälkeen tapahtuva kuorman kuljettaminen esimerkiksi ulos Marsin kiertoradalta on pienempi ongelma, koska se voidaan tehdä ajoaineettomasti sähköpurjeella.

keskiviikko 16. syyskuuta 2015

Sähköpurjekolumni 35

(Kyseisen Avaruusluotain-lehden numeron teemana oli teknologia avaruusscifin taustalla.)

Kalpana 1 -habitaatti (nss.org).
Aurinkokuntaan olisi mahdollista rakentaa siirtokuntia asteroidien raaka-aineista. Ajatus on vanha ja esimerkiksi 1970-luvulla Gerard O'Neill tutki asiaa opiskelijoidensa kanssa.  Tullakseen toimeen avaruudessa ihminen tarvitsee paineistuksen, säteilysuojan ja keinopainovoiman.  Sopiva rakenne on noin kymmenen kilometrin halkaisijainen ja saman pituinen pyörivä sylinteri.  Sylinterin kymmenen metriä paksu hiilikuituseinä kestää paineistuksen ja keskipakoisvoiman ja on Maan ilmakehän veroinen säteilysuoja.  Normaalipainovoimaista pinta-alaa on sylinterin sisäpinnalla 300 neliökilometriä ja sylinterin massa on 6 miljardia tonnia eli vähän kevyempi kuin Rosettan tutkima Churyumov-Gerasimenko -komeetta.

Kalpana 1 sisältä.

Jos kymmenesosa asteroidivyöhykkeen painavimmasta kappaleesta eli kääpiöplaneetta Ceresistä hyödynnettäisiin raaja-aineena, se riittäisi 15 miljoonaan avaruuskaupunkiin, joiden kokonaispinta-ala olisi 5 miljardia neliökilometriä, eli 30 maapalloa jos valtameret jätetään pois.  Kuiperin vyöhykkeellä olisi käytettävissä raaka-ainetta vielä satoja kertoja asteroidivyöhykettä enemmän, ja Oortin pilvessä karkeiden arvioiden mukaan vähintään satoja tuhansia kertoja enemmän. Siis jopa miljoonia kertoja enemmän pinta-alaa kuin Maassa, ja tuo pelkästään omassa aurinkokunnassamme.



Pluton typpijäätiköissä olisi raaka-ainetta suureen määrään hengitysilmaa (cbsnews.com).
Miten on mahdollista että aurinkokunnan pienkappaleista voisi rakentaa noin paljon enemmän pinta-alaa kuin kokonainen planeetta tarjoaa? Planeetta on massamielessä erittäin tehoton tapa tuottaa elintilaa, koska suurin osa massasta on piilossa planeetan sisällä ja sen ainoa tehtävä on tuottaa painovoimakenttä. Jos rakennetaan pyöriviä sylintereitä joissa painovoima tuotetaan keskipakoisvoimalla, massaa tarvitaan noin miljoona kertaa vähemmän, eli koko maapallon massan sijaan tarvitaan vain maan ilmakehän verran ainetta.

Kääpiöplaneetta Ceres (nasa.gov).
Raaka-aineiden nostaminen esimerkiksi Cerekseltä (pakonopeus puoli kilometriä sekunnissa) voidaan tehdä esimerkiksi raketilla tai avaruushissillä. Cereksen raaka-aineista rakennetut kaupungit voidaan jättää kiertämään Cerestä, jolloin ne ovat helpon matkan päässä toisistaan, vaikkakin kaukana Maasta ja muiden asteroidien siirtokunnista.

Mitä tarvitaan jotta tähän päästäisiin? Tarvitaan tehokas tapa päästä asteroideille, esimerkiksi sähköpurje. Tarvitaan asteroidien kaivostoimintaa. Tarvitaan osien valmistusta ja laitteiden kokoonpanoa avaruudessa. Tarvitaan robottiluotaimiin sen verran älyä että jokaista liikettä ei tarvitse ohjelmoida etukäteen, koska kommunikaatioviive asteroideille on noin tunti.

Tällä hetkellä tonnin massan toimittaminen maasta asteroidille maksaa noin puoli miljardia. Se on noin kahdeksan kertalukua liikaa jotta avaruuden siirtokunnat löisivät taloudellisesti leiville. Kahdeksan kertalukua on suuri haaste, mutta periaatteellista alarajaa yksikköhinnalle ei ole, kunhan asteroidien kaivostoimintaa käytetään tehokkaasti hyväksi.  Monet arkipäiväiset koneet pystyvät käsittelemään elinaikanaan yllättävän suuren massan verrattuna omaan painoonsa. Esimerkiksi jos kuorma-autolla ajetaan soraa muutaman kymmenen kilometrin päähän, tavaraa siirtyy auton elinaikana kymmeniä tuhansia kertoja enemmän kuin auton oma paino. Jos kaivoksen tuotteista rakennetaan toinen isompi kaivos, massakerroin korottuu toiseen potenssiin. Kymmenen tuhatta potenssiin kaksi onkin jo kahdeksan kertalukua.

keskiviikko 15. huhtikuuta 2015

Sähköpurjekolumni 34

(Kyseisen Avaruusluotain-lehden numeron teemana oli avaruustekniikan epäonnistumiset.)

Kuten tunnettua, ESTCube-1:n liekakoe epäonnistui. Virolaisten rakentama satelliitti toimi, mutta meidän liekarullamme ei jaksanut pyöriä joten sähköpurjelieka ei avautunut ja sähköpurje-efekti jäi mittaamatta.

Elokuussa 2012 ESTCUbe-1 -tiimi sai tarjouksen ilmaisesta laukaisusta, jos satelliitti luovutetaan jo tammikuussa 2013 eikä toukokuussa kuten siihen asti oli suunniteltu. Tarjous hyväksyttiin koska siten säästettiin rahaa. Aikataulun nopeutuminen lähes puolella aiheutti valtavan kiireen. Täristystestiä ehdittiin kuitenkin tekemään, ja siinä liekarulla alkoi odotusten vastaisesti pyöriä jonkin rullamoottorin sisäisen resonanssin takia. Tuon estämiseksi improvisoitiin rullalle laukaisulukko. Uutta täristystestiä ei kuitenkaan ehditty tehdä. Uudessa testissä olisi todennäköisesti paljastunut että rullan liukurenkaaseen syntyy tärinässä pieni kuoppa paikkaan jossa sähköisen kontaktin antava läystäke painaa sitä, ja että melko heikkovoimainen magneetiton pietsomoottorimme ei jaksa vääntää läystäkettä ylös kuopasta. Tämä huomattiin myöhemmin Aalto-1:n liekakoetta rakennettaessa ja se korjattiin ripustamalla läystäke omalla laukaisulukollaan irti liukurenkaasta.

ESTCube-1 jaksoi toimia lähes pari vuotta. Huolimatta satelliittiin jääneestä magneettisesta epäpuhtaudesta se saatiin lopulta pyörimään jopa 2 kierrosta sekunnissa, mikä saattaa olla satelliittien epävirallinen maailmanennätys. Myös sähköpurjekokeeseen kuulunut elektronitykki toimi. Tämä kaikki on erittäin rohkaisevaa seuraavia missioita ajatellen. Lopulta satelliitti sammutettiin, kun aurinkopaneelien ikäännyttyä se ei enää pystynyt tuottamaan riittävästi sähköä toiminnan jatkamiseen ja satelliitista oli jo saatu kaikki oppi mitä se pystyi antamaan.

Seuraava liekakoe lentää Aalto-1 -satelliitin mukana loppuvuodesta, ja se luovutettiin aaltolaisille pääsiäisen alla. ESTCube-1 -kokeen tunnetut ongelmat on korjattu ja testejä on tehty enemmän. Kokeessa on myös mukana enemmän diagnostiikkaa, eli jos jotain kaikesta huolimatta menee pieleen, pystymme paremmin haarukoimaan vikaa.

Vaikka jokaisen kokeen kohdalla toivotaan ennakko-odotukset ylittävää ihmesuoritusta, tilastollisesti ajatellen kokeiden ajoittainen epäonnistuminen on tyypillistä tehokkaalle ja järkevälle toiminnalle. Juuri tänään luin että SpaceX oli jälleen epäonnistunut kantorakettinsa palauttamisessa, vaikka toki lento onnistui siinä mielessä että asiakkaan hyötykuorma pääsi perille. Aikanaan myös esimerkiksi Neuvostoliiton Venus-ohjelma ylsi hyvin korkeisiin saavutuksiin, vaikka useat sarjan luotaimista toisaalta myös epäonnistuivat. Tässä ei ole mitään uutta tai mystistä, ja esimerkiksi maanpäällisessä liike-elämässä järkevä suhtautuminen riskeihin on useimmille itsestään selvää. Samat todennäköisyyslait pätevät avaruustoiminnassakin.

lauantai 7. helmikuuta 2015

Sähköpurjekolumni 33



Sähköpurjekolumni 7.2.2015

ESTCube-1:ssä on kaksi postimerkin kokoista ja melkein yhtä litteää 500 voltin elektronitykkiä. Tykissä on katodi jonka nanografiittipinnassa olevien terävien grafeeniharjanteiden kohdalla sähkökenttä vahvistuu niin isoksi että harjanteista irtoaa elektroneja. Sähkökentän muodostaa hyvin lähellä katodia oleva metallinen anodiverkko. Tämä melko eksoottinen rakenne valittiin, koska ESTCube-1:n kokoisessa 1-U satelliitin tehobudjetti ei riitä perinteisen hehkukatodin käyttämiseen. Tykit rakensi Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorio.

ESTCube:n elektronitykkejä koekäytettiin tammikuussa. Ensimmäinen tykki ei antanut mitään elonmerkkiä eikä kuluttanut lainkaan tehoa. Todennäköisesti tykin liitin on irronnut laukaisutärinän takia. Toinen tykki sen sijaan toimi. Sitä käytettiin kolmeen otteeseen radan eri kohdissa. Neljännellä yrityksellä tykki ei kuitenkaan enää toiminut vaan näytti menneen oikosulkuun. Oikosulun syynä saattaa olla esimerkiksi mikrometeoroidi joka on osunut anodiverkkoon ja repäissyt sitä niin että jokin irtonainen metallilanka koskettaa vieressä olevaa katodia.

Nyt tiedetään että Jyväskylän kylmäkatoditykki voi toimia avaruudessa ja kestää suojaamattomana ainakin 20 kuukauden ajan LEO-radan atomaarisen hapen kemiallista rasitusta. Tämä on hyvä uutinen ainakin Aalto-satelliitin kannalta, johon tulee neljä samantapaista elektronitykkiä. Aalto-1:n tykeissä käytetään kaksinkertaista eli yhden kilovoltin jännitettä. Tämä vähentää oikosulun riskiä, koska katodin ja anodin välinen etäisyys on kaksinkertainen.

NASA on kiinnostunut sähköpurjeesta ja on alkanut puhua aurinkotuulitestimissiosta ja sähköpurjeen käytöstä heliopausin läpi lentämiseen. Marshall Space Flight Centerin Bruce Wiegmann piti sähköpurjeesta 29.1.2015 NIAC-kokouksessa puolen tunnin pituisen esitelmän. Yleisönä oli mm. NASA:n pääteknologi Ellen Stofan ja SETI:stä ja Draken yhtälöstä tunnettu Frank Drake. En ollut tuossa Floridan NIAC-kokouksessa paikalla, mutta vierailin Marshallissa joulukuussa. Olen heidän NIAC-hankkeessaan mukana ulkoisena asiantuntijana. Brucen esitelmän voi katsoa videona aiemmasta sähköpurjeblogituksesta.

torstai 13. marraskuuta 2014

Sähköpurjekolumni 32

Sähköpurjekolumni 13.11.2014

ESTCube-1 -satelliitin (virolaisten opiskelijoiden rakentama 1 kg painoinen CubeSat, joka laukaistiin toukokuussa 2013) liean avaamiskomennot aloitettiin syyskuun puolivälissä. Avaaminen ei onnistunut, mikä pääteltiin siitä että liean kärkimassa ei ilmestynyt kameran näkökenttään. Tuosta alkoi salapoliisityö jonka tavoitteena on selvittää mitä oli tapahtunut. Työ on edelleen kesken. Tiedämme että moottori jonka pitäisi pyörittää liekarullaa kuluttaa tehoa kun se laitetaan päälle. Myös rullaa paikoillaan pitänyt sekä liean kärkimassan paikoilleen sitonut laukaisulukko kuluttavat oikean määrän tehoa kun virta ohjataan kulkemaan niissä olevan vastuksen läpi jolloin vastuksen vieressä olevan muovilangan pitäisi sulaa poikki ja vapauttaa lukon jousimekanismi. Aluksen asentodata viittaa siihen että liekarulla ei pyöri vaikka moottori käy, mutta tieto on toistaiseksi vähän epävarma. Jos näin on, silloin pettänyt osa on todennäköisesti rullaa paikoillaan pitänyt laukaisulukko: se ei jostain syystä päästä rullaa pyörimään vaikka muovilanka on todennäköisesti sulanut poikki. Tämä ei olisi siinä mielessä yllättävää että kyseinen mekaaninen osa on juuri se joka jouduttiin aikanaan improvisoimaan lyhyessä ajassa, kun täristyskoe osoitti että moottorin sisäinen kitka ei riitä estämään liekarullaan pyörimistä laukaisutärinän aikana.

Syksyn aikana ESTCube-1 teki todennäköisesti satelliitin pyörimisnopeuden epävirallisen maailmanennätyksen: yli kaksi kierrosta sekunnissa. Pyöriminen saavutettiin pelkillä magneettivääntimillä, eli satelliitin sivupaneeleissa oleviin magneettikeloihin johdetaan virtaa sopivassa tahdissa, jolloin syntyvä magneettinen momentti vääntää satelliitti Maan magneettikentän suhteen. Ennätys syntyi huolimatta satelliitissa olevasta magneettisesta epäpuhtaudesta. Magneettisen epäpuhtausongelman kiertäminen ohjelmoinnilla oli pääasiallinen syy siihen että liekakoetta päästiin yrittämään vasta yli vuoden päästä satelliitin laukaisusta.

ESTCube-1:n aurinkopaneelit. Kuva: Wikipedia
ESTCube-1:n aurinkopaneelien tuottama teho putosi melko rajusti satelliitin ensimmäisen kuukauden aikana, mutta sen jälkeen putoaminen on ollut hidasta. Arvelemme tehonpudotuksen johtuvan siitä että aurinkopaneelien peittona ei ollut laseja suojana matalan kiertoradan atomaarista happea vastaan. Sähkön niukkuus ei ole estänyt minkään operaation tekemistä satelliitilla, mutta se on hankaloittanut ja hidastanut operointia koska satelliitin akkujen latausjaksot ovat olleet pitkiä. Satelliitin ohjelmistoja on päivitetty kymmeniä kertoja ja nykyiset ohjelmat mm. säästävät sähköä aggressiivisesti kytkemällä alijärjestelmät pois päältä heti kun niitä ei tarvita.

Tällä hetkellä näyttää siltä että sähköpurje-efektin mittaus jää Aalto-1 -satelliitin tehtäväksi, mutta monilta osin ESTCube-1 oli myös suuri menestys.

maanantai 25. elokuuta 2014

Sähköpurjekolumni 31

Sähköpurjekolumni 25.8.2014

Telakointi on välttämätöntä, paluu ei?

Sähköpurjeesta ei lopu ajoaine, joten se sopisi tehtävään jossa vieraillaan esimerkiksi useilla asteroideilla tai palautetaan näytteitä Maahan. Saavuttuaan asteroidin luokse alus sammuttaisi sähköpurjeen jännitteet asteroidin tutkimisen ajaksi, kunnes lentäisi seuraavalle kohteelle. Avattu liekatakila rajoittaa kuitenkin asteroidin tutkimista: laskeutua ei voi, eikä edes mennä kovin lähelle. Jos aluksessa olisi jokin apumoottori, se voisi tosin lähestyä asteroidia Auringon puolelta ja leijua sen pinnan lähellä ilman kovin suurta vaaraa että pyörivät lieat koskettaisivat asteroidia (sähköpurje-efektiä ei voi tällaiseen leijumiseen käyttää, koska sähköpurjeen työntövoima osoittaa aina enemmän tai vähemmän Auringosta poispäin). Koska asteroidi yleensä aina pyörii, leijuva alus saisi koko pinnan kuvattua melko hyvällä resoluutiolla.

Asteroidin pinnan kuvaaminen Auringon suunnasta ei kuitenkaan ole kovin monipuolinen tapa saada tietoa kohteesta. Olisi parempi päästä kuvaamaan kohdetta eri suunnista, jolloin kraatterien ja kivien luomista varjoista voi laskea pinnan kolmiulotteista muotoa. Pinnan valottoman osan kuvaaminen infrapuna-alueessa puolestaan antaa tietoa sen termisestä inertiasta, mikä on yhteydessä pintakerroksen fysikaalisiin ominaisuuksiin.

Asteroideja ja komeettoja löytyy moneen lähtöön - tutkimista riittää! Kuva: Sun.org

Asteroidia tutkiva tiedemies tai kaivostoiminnasta kiinnostunut yritys haluaisi kompaktin aluksen, joka pystyy kääntämään itsensä mihin tahansa asentoon saadakseen kiinteästi asennetuille instrumenteilleen parhaan näkymän. Aluksen pitää pystyä myös leijumaan asteroidin lähellä millä puolella tahansa, laskeutumaan pinnalle, ehkä keräämään näytteitä, ja nousemaan taas takaisin. Ajoaineen säästämiseksi kaikkia manöövereitä ei välttämättä tarvitse tehdä kylmäkaasumoottoreilla, vaan aluksen sisällä oleva liikkuva massa tai epäkesko voisi saada aluksen hyppäämään pinnalla toiseen paikkaan tai kokonaan pois asteroidilta.

Jos luotain laskeutuu ja pomppii pinnalla, sähköpurjelieat eivät mitenkään voi pysyä leikissä mukana. Liekojen vetäminen takaisin sisään olisi periaatteessa mahdollista, mutta uudelleen ne todennäköisesti eivät enää avautuisi, koska niissä olisi siellä täällä mikrometeoroidien rikkomia lankoja, jotka voisivat jumittaa avaamisen. Miten siis saada luotain seuraavalle asteroidille tai kerätyt näytteet Maahan tutkittavaksi?

Ilmeinen ratkaisu on aluksen jakaminen kahteen osaan, jotka voidaan erottaa toisistaan ja taas telakoida yhteen. Laatikkomainen laskeutuja irtoaa sähköpurjealuksesta, joka jää odottamaan turvallisen matkan päähän. Kun laskeutuja on tutkinut kohteen, se palaa omilla moottoreillaan takaisin sähköpurjealuksen luo ja telakoituu siihen, minkä jälkeen kaksikon matka jatkuu seuraavalle asteroidille. Autonominen telakointi hitaasti pyörivään sähköpurjealukseen kaukana Maasta on ohjelmointitehtävä, jonka teknisiä haasteita ei kannata väheksyä, mutta mitään ylitsepääsemätöntä siihen ei sisälly. Jos aluksen pitää muutenkin osata laskeutua asteroidin pinnalla tiettyyn paikkaan, "laskeutumisen" sähköpurjealukselle luulisi olevan jopa hieman helpompaa.

Perinteiset menetelmät eivät siihen juuri kykene, mutta sähköpurjealuksen päättymätön ajokyky tekee mahdolliseksi tutkia useita asteroideja ja haluttaessa palauttaa näytteitä Maahan. Telakointia kuitenkin tarvitaan.

torstai 5. kesäkuuta 2014

Sähköpurjekolumni 30

Sähköpurjekolumni 5.6.2014

Osallistuin Space Propulsion -kokoukseen Kölnissä. Tämä eurooppalainen kokous järjestetään joka toinen vuosi. Sähköpurjeesta ja plasmajarrusta oli esitelmä joka sai positiivista huomiota.

Eurooppalaisten kantorakettien suhteen ollaan mielenkiintoisessa vaiheessa. Nykyinen kantorakettiperhehän koostuu Vegasta, Soyuzista ja Ariane-5:sta joka pystyy yhdellä laukaisulla viemään maasynkroniselle radalle kaksi tietoliikennesatelliitta. Ariane-5 on päätetty korvata pienemmällä raketilla, jolla tietoliikennesatelliitteja lauottaisiin tyypillisesti yksitellen. Tämän Ariane-6:n rakenteesta on nyt kuitenkin syntynyt Ranskan ja Saksan välinen kiista. Virallisen Ariane-6 -suunnitelman mukaan molemmat alemmat vaiheet käyttävät kiinteitä polttoaineita ja vain ylin eli kolmas vaihe nestevetyä. Ensimmäinen vaihe sisältäisi kolme identtistä kopioita toisen vaiheen boosterista, jolloin kokonaisuutena tarvitaan neljä identtistä kiinteää rakettia ja yksi nestevetymoottori. Kiinteät raketit tehdään Ranskassa ja nestevetyvaihe Saksassa. Saksalaiset eivät ole tilanteeseen tyytyväisiä. Heidän mukaansa suunnitelman toteuttaminen johtaisi isojen nestemoottoreiden rakentamisosaamisen häviämiseen Euroopasta. He haluaisivat että myös toinen vaihe olisi nestekäyttöinen.

Vega, Soyuz ja Ariane-5:n malleja. Kuva

En ole kantorakettiasiantuntija, mutta minusta nykyinen Ariane-6 -suunnitelma näyttää taloudellisesti järkevältä, jos reunaehto on että raketti on läpikotaisin kertakäyttöinen ja jos ei välitetä kiinteiden polttoaineiden mahdollisista ympäristöhaitoista. Kiinteiden rakettien valaminen sarjatuotantona lienee halvempaa kuin erillisen räätälöidyn nestemoottorivaiheen rakentaminen. Ylimmän vaiheen on puolestaan joka tapauksessa käytettävä nestepolttoainetta laukaisutarkkuuden ja uudelleenkäynnistysvaatimuksen vuoksi.

Samaan aikaan toisaalla SpaceX uskoo uudelleenkäytettävyyteen. Jos SpaceX onnistuu halventamaan laukaisuhintojaan uudelleenkäytettävyyden avulla, Euroopassa joudutaan pohtimaan onko valittu Ariane-6 -tie oikea vai pitäisikö seurata SpaceX:n esimerkkiä. Ilmeisesti kallein tapa mennä avaruuteen on kertakäyttöinen nesteraketti, toiseksi halvin on kertakäyttöinen kiinteä raketti ja jos laukaisutiheys on riittävä, mahdollisesti sitäkin halvempi on uudelleenkäytettävä nesteraketti. SpaceX veikkaa kolmosvaihtoehdon puolesta ja Ariane-6 kakkosvaihtoehdon. Molemmissa on riski että valittu vaihtoehto ei olekaan markkinoilla kilpailukykyinen sitten kun raketti on valmis.

Skylon. Kuva: Reactionengines.co.uk

Myös britit Skylon-avaruuslentokoneineen olivat paikalla Kölnissä. Olen ollut Skylonin suhteen aika epäileväinen, mutta osa epäilyksistäni lieveni kun juttelin Robert Bondin kanssa. Skylon on lentokentältä nouseva ja lentokentälle laskeutuva yksivaiheinen avaruuslentokone jonka polttoaine on nestevety ja joka kuljettaa kiertoradalle 15 tonnin kuorman. Sen Sabre-moottorit hengittävät ilmaa kuusinkertaiseen äänennopeuteen asti ja sen jälkeen vaihtavat rakettimoodiin jossa hapettimena on nestehappi. Vaikuttaa siltä että Sabre-moottori saattaa jopa toimia ennustetulla tavalla jos hyvin käy, mutta Skylon-aluksen suunnittelu ei ole kovin pitkällä ja monia kysymyksiä on auki. Ilmaisin heille mielipiteenäni että kannattaisi miettiä myös suunnitelmaa B jossa Skylon tekisi vain suborbitaalisen hypyn ja toisena vaiheena oleva kertakäyttöraketti nostaisi hyötykuorman kiertoradalle. He tutkivat myös Lapcat-sovellusta, joka on Sabrea käyttävä hypersooninen suihkukone joka pystyy lentämään mihin tahansa maapallolla ilman välilaskua, esimerkiksi Lontoosta Sydneyyn.

Kevyemmässä kategoriassa sveitsiläinen S3-firma kehittää pienempää kaksivaiheista avaruuslentokonetta, joka laukaistaan Airbusin selästä ja joka pystyy viemään kiertoradalle 250 kg esimerkiksi cubesateista koostuvan hyötykuorman. Laitteen alempi vaihe on siivekäs ja uudelleenkäytettävä ja ylempi vaihe kertakäyttöinen.


lauantai 8. maaliskuuta 2014

Sähköpurjekolumni 28

Sähköpurjekolumni 28.11.2013

ESTCube-1 lentää ja toimii, mutta vieläkin ilman operatiivista ohjelmistoa joka pystyisi määrittämään satelliitin asennon. Satelliitin asennonmääritysjärjestelmä käyttää aurinkoilmaisimia auringon suunnan selvittämiseen. Jokaisella kuudella sivulla on oma ilmaisimensa. Yhden sivun sensori on tosin viallinen niin että se pystyy mittaamaan vain toisen auringon kahdesta suuntakulmasta. Jäykän kappaleen asentotieto sisältää kolme muuttujaa, joten aurinkoilmaisimet eivät yksin riitä, eivätkä ne sitäpaitsi toimi satelliitin ollessa varjossa. Tästä syystä aurinkoilmaisimia täydennetään mittaamalla Maan magneettikenttä magnetometrillä ja vertaamalla tulosta mallikenttään.
Pääministeri Andrus Ansip puhuu Estcubesta Riikikogussa 17.12.2013
Auringon ja magneettikentän suuntiin perustuvaa asentotietoa täydennetään vielä gyroskoopeilla, jotka pystyvät seuraamaan asennon muuttumista itsenäisesti lyhehkön aikavälin yli. Eri anturien mittausten yhdistämiseen käytetään Kalman-suodinta. Ihannetapauksessa Kalman-suodinkäsittelyllä saadaan jatkuva, häiriötön ja tarkka asentotieto eli saadaan yhdistettyä eri asentoantureiden hyvät puolet.

Isojen satelliittien tieteellisen tarkat magnetometrit sijoitetaan yleensä useiden metrien pituisen jäykän puomin päähän, jotta satelliitin sähköjärjestelmien virrat eivät häiritsisi niitä. CubeSateissa moinen luksus ei ole mahdollista, vaan magnetometrit sijaitsevat satelliitin sisällä ja ovat siten alttiimpia häiriöille. Häiriöt pitää pyrkiä arvioimaan ja vähentämään mittauksista ennen datan käyttämistä asennon selvittämiseen.

Asentonsa muuttamiseen ESTCube-1:n on tarkoitus käyttää magneettivääntimiä eli kolmea kohtisuoraa kelaa joihin ajettavalla virralla satelliitille voidaan luoda halutunsuuntainen magneettinen dipolimomentti. Dipoli pyrkii sitten kääntymään Maan magneettikentän suuntaiseksi kuin kompassineula. ESTCube-1:n vääntimiä on koekäytetty avaruudessa ja ne näyttävät toimivan. Magneettivääntimet ovat tuttua
teknologiaa aiemmista CubeSateista. Niillä ei voi tuottaa magneettikentän suuntaista vääntömomenttia, mutta tämä ei ole ongelma naparadalla missä satelliitti lentää erisuuntaisten kenttien läpi. ESTCube-1 siis käyttää magneettikenttää sekä asentonsa määrittämiseen että sen muuttamiseen. Toiminnot eivät häiritse toisiaan koska niitä ei tehdä samanaikaisesti.

Asennonmääritysohjelmistoa on debugattu menestyksellisesti viime päivinä.  Tällä hetkellä näyttäisi siltä että asennonsäätö voidaan saadaan toimimaan suoraviivaisella työllä. Jos ja kun niin tapahtuu, sitten liekakoe voi alkaa.

torstai 6. maaliskuuta 2014

Sähköpurjekolumni 29

Sähköpurjekolumni 6.3.2014

ESTCube-1:n liekakoe ei ole vielä päässyt alkamaan, mutta tilanne näyttää lupaavalta. Kolumnin ilmestymisessähän on viive, joten en kerro enempää koska tieto ei kuitenkaan olisi ajantasaista.

Suunnittelemme CubeSat-aurinkotuulitestimissiota. Satelliitti laukaistaisiin todennäköisimmin jonkin Kuuhun menevän aluksen oheishyötykuormana ja se päätyisi ellipsiradalle, jonka lakipiste on noin Kuun etäisyydellä. Satelliitti avaa yhden 1 km pituisen liean ja on muodoltaan ja kooltaan kuten Aalto-1, eli 3-U CubeSat. Satelliitista avataan myös metrien pituiset, rullamittaa muistuttavat kiinteät puomit joihin voidaan halutessa kytkeä sama jännite kuin liekaan. Jännitteellisten puomien tarkoituksena on muuttaa potentiaalirakenne epäsymmetrisemmäksi, mikä saattaisi nopeuttaa liean sähkökenttään vangiksi jääneiden elektronien poistumista. Vangittuja elektroneja on hankala mallintaa teoreettisesti. Mittaamalla sähköpurjevoiman aikakehitys puomien jännitteen kanssa ja ilman antaa asiasta kokeellista tietoa.

Aalto-1 on 3-U:n kokoinen CubeSat. Kuva: Aalto-1
Satelliitin asennonmääritys perustuu tähtisensoriin ja aluksen asentoa säädetään vauhtipyörillä. Aina kun jokin vauhtipyöristä on asentomanöövereiden seurauksena saavuttanut maksiminopeutensa eli
saturoitunut, se jarrutetaan ja samalla kompensoidaan pyörästä satelliitin runkoon siirtyvä vääntömomentti kylmäkaasumoottoreilla. Koska rata on pääosin Maan magneettikentän ulkopuolella, asennon määrittämiseen ei voida käyttää tavanomaisia magnetometrejä eikä asentoa voida muuttaa magneettivääntimillä. Kylmäkaasumoottoreilla myös käynnistetään pyöriminen liean avaamisen aikana ja niillä voidaan tehdä
ratakorjauksia.

Satelliitissa tarvitaan ainakin jonkin verran enemmän säteilysuojausta kuin LEO-radan CubeSateissa, koska se lentää säteilyvyöhykkeiden läpi ainakin kerran menomatkalla ylös. Jos syntyvän ellipsiradan alin piste on säteilyvyöhykkeissä tai niiden alapuolella, säteilyannosta kertyy lisäksi jokaisella ratakierroksella merkittävä määrä. Suunnittelemme satelliitin ensin muuten valmiiksi, sitten katsomme kuinka paljon tilaa ja massaa ajoaineelle ja säteilysuojaukselle jää. Mitä enemmän ajoainetta ja säteilysuojausta on, sitä enemmän on erilaisia laukaisu- ja missiomahdollisuuksia. Säteilysuojaus painaa paljon mutta vie vähän tilaa, butaaniajoaineen osalta tilanne on päinvastainen. CubeSatin ulkoseinien paikat on tarkasti määritelty, kokonaismassan suhteen laukaisufirmoilla saattaa olla enemmän joustavuutta.

torstai 24. lokakuuta 2013

Sähköpurjekolumni 27

Sähköpurjekolumni 13.9.2013

ESTCube-1 lentää ilman laitevikoja, mutta liekakoetta ei ole vielä päästy aloittamaan, koska satelliitin asennonsäätöohjelmisto ei ole valmis. Sitten kun ohjelma on valmis ja testattu maassa, se päivitetään satelliittiin ja koe voi alkaa. Satelliitin kameran, päätietokoneen ja tehojärjestelmän uusia ohjelmaversioita on kesällä otettu onnistuneesti käyttöön. Kun satelliitti laukaistiin toukokuussa, sen ohjelmisto ei ollut täydellinen. Voimat oli keskitetty satelliitin rakentamiseen ja ohjelmapäivityksiä vastaanottavan alijärjestelmän toimivuuteen, koska niissä olevia puutteita ei olisi voinut laukaisun jälkeen enää korjata.

EstCube-1:n ottama kuva, jossa erottuu niin Suomen, kuin Eestinkin rantaviivaa.
(kuva on julkaistu 22.10.2013 EstCuben Facebook sivuilla.)
ESTCube-1:n aurinkopaneelien teho pieneni odotettua enemmän ensimmäisen lentokuukauden aikana. Tarkkaa syytä ilmiöön ei tiedetä eikä se uhkaa sähköpurjekokeen onnistumista.

Liekojen valmistus on kehittynyt kesällä. Tehtaan uusin versio ei enää tarvitse kaupallista bondauskonetta avukseen, vaan laite osaa bondata itsenäisesti. Liitosten lujuus on parantunut lähelle teoreettista ylärajaa noin kymmeneen grammaan, mikä kasvattaa saavutettavissa olevaa sähköpurjeen suorituskykyä. Uusi liekatehdas myös evaluoi jokaisen tuotetun bondauksen hyvyyden mittaamalla kuinka hyvin liitos läpäisee ultraääntä ja johtaa sähköä. Toisin sanoen tehtaassa on automaattinen laadunvalvonta joka keskeyttää tuotannon jos laatu huononee.

Aalto-satelliitin sähköpurjekokeen kaikki osat rakennetaan Suomessa. Helsingin yliopisto tekee liean ja Ilmatieteen laitoksen avustamana myös liekarullan ja kärkimassan. Elektroniikkakortin tekee Ilmatieteen laitos käyttämällä alihankkijana toijalalaista Skytron-firmaa. Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorio rakentaa elektronitykit. Tykkien nanografiittikatodit toimitti professori Alexander Obraztsov Itä-Suomen yliopistosta ja Moskovan valtionyliopistosta.

Yksi uudella liekatehtaalla tuotettu 100 m pitkä lentokelpoinen nelilankainen lieka keloineen on valmis ja toiselle 40 m pitkälle liealle tehtiin onnistunut avaamiskoe. On tarkoitus tuottaa useita 100 m pitkiä liekoja. Paras lieka lentää ja yksi käy Tartossa täristettävänä ennen Helsingissä tehtävää uutta avaamistestiä. Näin varmistetaan että lieka avautuu kelalta myös laukaisutärinän jälkeen.

                                                                                                            Pekka Janhunen