Ikaroksen omakuva

Sähköpurjekolumni 28.9.2010

EPSC:n kokous onnistui sähköpurjeen osalta hyvin, saimme paljon positiivista huomiota. Sähköpurjeistunnossa oli noin kymmenen esitelmää ja sitä seurasi reilut neljäkymmentä tutkijaa. Söimme illallista japanilaisen IKAROS-tiimin kanssa. Heidän 14-metrinen valopurjeensa toimii kuulemma muuten hyvin paitsi että sen pyöriminen pyrkii kiihtymään kalvossa olevien ryppyjen takia. He joutuvat hillitsemään pyörimistä kylmäkaasumoottoreilla. Heidän tavoitteensa on lennättää isompaa purjetta myöhemmin tutkimaan Jupiterin troijalaisia asteroideja. Isompi alus tulee olemaan aurinkopurjeen ja ionimoottorin hybridi. Ionimoottorin sähkö luodaan ohutkalvoaurinkopaneeleilla, joilla osa aurinkopurjekalvosta on päällystetty. Ohutkalvoja testataan myös aurinkovoimasatelliitteja varten. Valopurjetta käännellään nestekidetummentimilla. Ehdotin pyörimisongelman ratkaisemiseksi nurkkiin sijoitettavia heliogyroja (samanlaisia joita sähköpurjekin voisi käyttää).

Japanilaiset olivat myös saaneet näyttäviä kuvia avatusta valopurjeestaan. Kuvat otti pieni kuutiosatelliitin kokoinen kertakäyttöinen apualus. Kuvissa purje näyttää vähän huolimattomasti silitetyltä metalliselta karkkipaperilta.

Ikaroksen omakuva. Lähde: Jaxa

Ei ehkä uskoisi, mutta avaruustekniikka etenee tällä hetkellä ennennäkemätöntä vauhtia. Kehitystä vievät eteenpäin erityisesti halvat ja nopeasti lentoon saatavat kuutiosatelliitit. Esimerkiksi kunnollinen asennonsäätö on kuutiosatelliiteissa jo arkipäivää. Lähitulevaisuudessa häämöttävät pienet ionimoottorit, joiden avulla kuutiosatelliitit saadaan mille tahansa kiertoradalle. Lisäämällä kuutioon pienet tarttumaraajat siitä saataisiin vaikka yleiskäyttöinen avaruusrobotti, eräänlainen köyhän miehen astronautti. Pienet, halvat ja etäohjatut robotit voisivat korjata ja rakentaa avaruudessa ja niillä voisi harjoitella asteroidien kaivostoimintaa avaruusromua tonkimalla. Pian tulemme näkemään ensimmäiset kuutiosatelliitteihin perustuvat harrastajien rakentamat avaruuskaukoputket ja saamme muitakin kokostandardeja kuin 10 cm laatikot. Piensatelliittien parvet eivät aiheuta avaruusromuongelmaa, sillä tehtävän päätyttyä ne tuodaan alas ionimoottorilla tai plasmajarrulla.

Nyt avaruudessa lentää vielä paljon 1970-luvun tekniikkaa. Muutos on suuri kun standardoinnin ansiosta kehitys harppaa vuosikymmenten yli ja päivittyy 2010-luvulle. Kiertoradalle nousemisessa ei kuitenkaan ole paljon edistytty. Tätä avaruustekniikan perusongelmaa uusi tekniikka kiertää keventämällä hyötykuormia ja myöhemmin hyödyntämällä asteroidien resursseja sähköpurjeilla.

Pekka Janhunen

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.

Pekka Janhunen

Youtube-video myöhemmin Ilmatieteen laitoksella suoritetusta siipaketestistä:

Tarvittavia tekniikoita

Sähköpurjekolumni 10.6.2010

Sähköpurjeen EU-hakemuksen neuvottelut ovat käynnissä ja projekti alkanee joskus syksyllä. Projektin tavoitteena on rakentaa prototyypit sähköpurjeen avainkomponenteista ja siinä on mukana 5 Euroopan maata ja 9 partneria. Avainkomponentteja ovat itse lieka (tavoitteena tuottaa vähintään 1 km), liekarulla kelautuvuustesteineen ja ns. etäyksikkö jollainen sijoitetaan jokaisen liean kärkeen. Liekojen kärjet yhdistetään toisiinsa muovisilla apulieoilla, mikä stabiloi rakenteen mekaanisesti niin että sähköpurjeen lennon aikana liekarullia ei tarvitse kelailla edestakaisin liekojen pituuksien hienosäätämiseksi vaan selvitään ilman liikkuvia osia. Kukin etäyksikkö sisältää rullan josta siihen kuuluva apulieka avataan sekä pienen moottorin. Näiden moottorien avulla käynnistetään liekasysteemin pyöriminen avaamisen yhteydessä ja niiden avulla voidaan myös hidastaa tai nopeuttaa liekojen pyörimistä myöhemmin, mikäli tarve vaatii. Moottori voi olla joko kylmäkaasumoottori (pieni paineistettu kaasusäiliö jonka vieressä on venttiili ja suutin) tai ns. FEEP-ionimoottori. Sekä kylmäkaasu- että FEEP-moottorien prototyypit rakennetaan tässä EU-projektissa. Näillä moottoreilla voi olla käyttöä muuallakin kuin sähköpurjeessa, esimerkiksi satelliitin asennonsäätömoottorina tai piensatelliitin päämoottorina.

FEEP periaatekuva. Lähde: Alta

Liekojen päihin tulevat, 0.3-0.5 kg painavat etäyksiköt ovat vähän kuin nanosatelliitteja itsekin, tosin toiminnoiltaan riisuttuja.

Sähköpurjeen suunnittelijan pitää tavalla tai toisella estää pyörivien liekojen osuminen toisiinsa, vaikka aurinkotuuli vaihtelee ja tönii liekoja hieman eri tavalla. Liekojen kärkiä yhdistävät ja keskipakoisvoiman kaarelle painavat apulieat ovat yksi mahdollinen ratkaisu. Toinen mahdollisuus saattaisi olla asentaa kuhunkin etäyksikköön pieni, käännettävä aurinkopurje (valopurje). Valopurjeliuskan lapakulmaa säätämällä jokaista liekaa voitaisiin "lentää" niin että se pyörii halutulla nopeudella eikä törmää naapureihinsa. Vastaavalla periaatteella toimivia, heliogyroiksi kutsuttuja valopurjeita on tutkittu laskennallisesti, mutta ei lennätetty.

Heliogyron havainnepiirros. Lähde: NASA 1967

Erilaisten toimintahäiriöiden simulointi tulee olemaan välttämätöntä ja mielenkiintoista. Tavoite on että sähköpurje voisi toipua yksittäisen etäyksikön hajoamisesta tai liean katkeamisesta.

Pekka Janhunen

EU rahoittamaan sähköpurjetta

Sähköpurjekolumni 7.4.2010

Sähköpurjeliekaa on tuotettu nyt yhteensä neljä metriä, mikä on uusi ennätys ja lähestyy ESTCube-1 -satelliittiin tarvittavaa kymmentä metriä. Liekatehtaan seuraavan ja taas entistä automaattisemman version suunnittelu on aloitettu ja valmistumisen tavoite on kesäkuu.

ESTCube-1 -satelliitin kehitystyö on täydessä vauhdissa. Haastavin osa on elektronitykki, joka rakennetaan Jyväskylän kiihdytinlaboratoriossa. Alunperin kaavailtu perinteinen hehkukatodiratkaisu jäi testeissä varsin kauas valmistajan ilmoittamista suoritusarvoista. Tämän takia tykkiä on nyt lähdetty kehittämään uudentyyppisen, nanografiittiin erustuvan kylmäkatodin ympärille. Jos yritys onnistuu, tuloksena on tehokas, pitkäikäinen ja muodoltaan litteä elektronitykki joka täyttää ESTCube-1:n vaatimukset. Elektronitykin tekeminen niin pieneen satelliittiin kuin ESTCube-1:een on vaikeampaa kuin oikeaan sähköpurjemissioon, koska vain kilon painoisessa ESTCube-1:ssä ei ole käytettävissä edes niitä muutamaa wattia tehoa jotka tarvittaisiin markkinoiden pienimmän katodin hehkuttamiseen.

Jos tämän uudentyyppisen elektronitykin rakentaminen ei onnistu, vaihtoehtona on yrittää kasvattaa satelliitin akusta saatavaa hetkellistä tehoa niin että perinteistä hehkukatoditykkiä voisi kaikesta huolimatta ajaa lyhyitä jaksoja kerrallaan. Jos tämäkään ei onnistu, viimeinen vaihtoehto on jättää elektronitykki kokonaan pois hyötykuormasta. Siinä tapauksessa ESTCube-1:n liekaa ajettaisiin pelkästään negatiivisella jännitteellä eli plasmajarrumoodissa.

Sähköpurjeen EU-hakemus meni läpi parhailla pisteillä. Kuva: Wikipedia

Sähköpurjeen rahoitukseen on tulossa ratkaiseva parannus, koska saimme tiedon että EU-hakemuksemme on menossa läpi, ja vieläpä koko hakuosion parhailla pisteillä. Pölyä nielemään jäävät kaikki muut eurooppalaiset avaruusluotainten ja niiden tarvitseman teknologian kehityshankkeet mm. ionimoottorit. Konsortiossamme on 5 maata ja 9 partneria. Kolmivuotisen EU-projektimme tavoitteena on rakentaa sähköpurjeen avainkomponenteista (liekatehdas, liekarullat jne.) prototyypit, jotka sopivat aurinkotuulitestimissioon ja skaalautuvat myös täysikokoiseen 1 N sähköpurjealukseen.

Sähkö- ja aurinkopurjeille on tulossa oma istunto European Planetary Science Congress (EPSC) -kokoukseen, joka pidetään 19-25. syyskuuta Roomassa.

Pekka Janhunen

Rahoitusta kalastamassa

Sähköpurjekolumni 13.1.2010, tätä tekstiä ei ole julkaistu aiemmin

Marraskuu ja osin lokakuukin meni EU-hakemusta tehdessä. Hakemusten teko on vähän kuin kalastusta, jotkut saavat kalaa usein, toiset harvoin tai ei ollenkaan. Ohjeita ja neuvoja riittää, niiden toimivuus on toki käyttäjän vastuulla. Hakemus on tutkijan pyytö johon hän toivoo arvioijan tarttuvan. Kun hakemus on heitetty, onkijamme ei näe mitä syötin ympärillä tapahtuu. Jos koukkua katsomaan tullut arvioijakala ei ymmärrä jonkin yksityiskohdan houkuttelevuutta, ei hän ole tilaisuudessa kysymään selityksiä, vaan sylkäisee hakemuksen suustaan. Sen takia tekstin pitää olla kaunis, täydellinen ja yksityiskohtainen. Mutta jos se on iso ja kuolleen oloinen, evaluaattori kyllästyy etäältä eikä yritä nielaisua...

Kalastajia riittää rahoitusmeren rannoilla! Photo by Flickr/hijukal

Aika kaukana hakemushomma siis on tieteen tarkoituksesta eli siitä että saadaan tosiasioista uutta tietoa, vaikka hyvällä tutkimusaiheella rahan saaminen on keskimäärin helpompaa kuin huonolla.

Sähköpurje on periaatteessa tekniikkaa eikä tiedettä. Mutta tekniikka perustuu aina luonnonilmiöihin, ja luontoa ei voi pakottaa, sitä voi vain tutkia. Esimerkiksi atomipommi on varsin ihmeellinen laite ja ison insinöörityön tulos. Mutta jos luonnonlait olisivat vähän toisenlaiset, pommi saattaisi olla mahdoton eikä silloin mikään määrä insinöörityötä voisi saada sitä toimimaan. Ei autokaan kiihdy siksi että kuljettaja tahtoo painaa kaasua, vaan siksi että hiilivetymolekyyleillä on luontainen taipumus reagoida hapen kanssa eksotermisessä reaktiossa. Tässä mielessä sähköpurjekaan ei ole ihmisen aikaansaannos, vaan luonnon. Aurinkotuulen olemassaolo ja klassisen fysiikan lait (sähköoppi ja mekaniikka) mahdollistavat sähköpurjeen lennon, vaikka ihmistä toki tarvitaan laitteen rakentamisessa.

Mekaniikasta puheen ollen, olen viime aikoina ohjelmoinut sähköpurjeen avausmekaniikan simulaattoria, kun löysin hyvän reseptin siihen miten jäykän kappaleen liikeyhtälöt kannattaa ohjelmoida. Numeerinen avausmekanismin simulointi on tärkeä, koska asian kokeellinen todentaminen vaatisi pitkäaikaisen painottomuuden jollaista Maan päällä ei voi saada aikaan. Onneksi yksiulotteisten sähköpurjeliekojen mallinnus on helpompaa kuin kaksiulotteisten kalvojen, joita perinteinen säteilypaineeseen perustuva aurinkopurje tarvitsisi.

Pekka Janhunen

Viranomaiskentän sokeassa täplässä

Sähköpurjekolumni 2.11.2009, julkaistu osana Avaruusluotaimen 3/2009 tuplakolumnia.

Kävimme Viron Vooressa viiden henkilön voimin ESTCube-1 -kokouksessa. ESTCube-1:han on Viron ensimmäinen satelliitti jonka tarkoitus on mitata sähköpurje-efekti. Itse satelliitin rakentavat virolaiset opiskelijat ja hyötykuorman pääasiassa suomalaiset. Projekti etenee aikataulussa, satelliitti pitäisi saada valmiiksi ensi vuoden loppuun mennessä jotta se voitaisiin laukaista suunnilleen vuodenvaihteessa 2011-2012. Nopea aikataulu on tarpeen jotta opiskelijaporukka ei ehdi vaihtua liikaa projektin aikana.

ESTCube-1 -projektin alussa oli valtava innostus joka on nyt muuttunut tehokkaaksi ja määrätietoiseksi toiminnaksi kohti yhteistä päämäärää. Satelliitin massabudjetti näyttää hyvältä. Tämä mahdollistaa yksinkertaisen rakenteen, standardikokoisen 10 cm kuution sisällä on viisi piirikorttia päällekkäin, joista keskimmäinen on varattu hyötykuormalle. Kuution sivuille tulee aurinkopaneelit. Lämpötilan kontrollointiin ei tarvita mitään erityistä, asia varmistetaan mallinnuksella.

Virossa ESTCube-1 -hanke on saanut paljon myönteistä julkisuutta ja virolaiset esittelivät sitä ja sähköpurjetta hiljattain myös Moskovan tiedemessuilla laajalle ja innostuneelle yleisölle. Poliittinen tahto ajaa Viroa ESA:n jäseneksi, ja Vooressa oli mukana Enterprise Estonian edutaja (vastaa Suomen Tekesiä) joka pyrkii tukemaan avaruustoimintaa ja ESTCube1:stä kaikin tavoin mm. koittamalla saada mahdollisimman paljon opiskelijoita seuraavaan IAF:n kokoukseen Prahaan. 

Kävimme pari viikkoa sitten myös Tekesissä eli Suomen virallisessa avaruusinstanssissa esittelemässä miten sähköpurjetta voisi hyödyntää kaupallisesti. Esitämme miten voimme lyhyellä tähtäimellä palauttaa satelliitteja alas helposti ja halvalla avaruusromun torjumiseksi, tuottaa nykyistä parempia avaruussääennusteita, myöhemmin hyödyntää asteroidien resursseja, jne. Tekes kuuntelee kohteliaasti ja vastaa: mielenkiintoinen ja uskottava tarina, mutta miten se heihin liittyy? Vedimme siis vesiperän, joten lähestyn sähköpostitse ESA:a, kerron satelliittien palauttamisesta ja kysyn voisiko sen tutkimista rahoittaa. Vastaus tulee tunnin päästä: kyllä, yrittävät järjestää jotakin ensi vuonna GSP-ohjelmaan.

Sähköpurje tuo selvästi näkyviin että vaikka Suomessa kansalaisten tuki avaruustoiminnalle on laajaa, on ala viranomaiskentälle sokea täplä joka ei kuulu kenellekään. Anomalian korjaamiseksi tarvitaan avaruusjärjestö eli virallinen taho jonka mandaattina on tehdä avaruustoimintaa, ja asialla on tulenpalava kiire. Kaikki Suomeen verrattavat maat ovat laittaneet asian jo kuntoon.

Pekka Janhunen

Liekojen vahvuudesta - hiilikuituinen tulevaisuus?

Sähköpurjekolumni 2.9.2009, Julkaistu Avaruusluotaimessa 3/2009.

Sähköpurjeessa on ollut edistystä usealla rintamalla. Ensimmäinen pätkä ultraäänibondattua alumiiniliekaa on valmistettu. Lankojen pinnoitustapoja on selvitetty ja on löydetty useitakin pinnoitteita joilla voidaan varmistaa etteivät alumiinilangat kylmähitsaudu toisiinsa kelalla avaruuden tyhjiössä. Sähköpurjeen mekaniikkaa eli pyörimistä avaruudessa on simuloitu entistä tarkemmin käyttäen erilaisia konstruktioita ja ohjausalgoritmeja. Ohjauksen tarkoituksena on lentää  sähköpurjetta hallitusti siten että lieat pyörivät siististi törmäämättä toisiinsa ja että työntövoima kohdistuu haluttuun suuntaan huolimatta aurinkotuulen vaihteluista. Näyttää siltä että sähköpurje voidaan rakentaa ja sen ohjaus hoitaa usealla eri tavalla. Keskeinen parametri on liekamateriaalin vetolujuus. Mitä vahvemmat lieat, sitä nopeammin niitä uskalletaan pyörittää ja sitä suurempi on liekoja jännittävä keskipakoisvoima suhteessa niitä poikkeuttavaan aurinkotuulen voimaan. Tällöin lieat heilahtelevat vain vähän ja niiden lukumäärää voidaan kasvattaa ilman pelkoa niiden koskettamisesta toisiinsa, jolloin sähköpurjeen voima voi olla suurempi. Vaihtoehtoisesti voimaa voidaan kasvattaa lisäämällä liekojen pituutta, mutta tällöinkin tarvitaan materiaalilta enemmän vetolujuutta tai muuten liekoja joudutaan paksuntamaan jolloin systeemin massa kasvaa.

Alumiininen peruspurje antaa noin yhden newtonin työntövoiman laitteen massan ollessa noin 100 kg. Tällöin sähköpurjeen elinaikanaan tuottama impulssi per massayksikkö on noin sata kertaa suurempi kuin ionimoottorilla. Laite voi viedä noin tonnin painoisen hyötykuorman annettuun osoitteeseen aurinkokunnassa ja takaisin, tai vaihtoehtoisesti sillä voi kiihdyttää pienemmän 100-200 kg kuorman 50-100 km/s loppunopeudella ulos aurinkokunnasta. Jos purjeen kokoa kasvattaa (siis enemmän tai pitempiä liekoja), työntövoima kasvaa mutta laitteen tehokkuus hiljalleen putoaa koska liekojen massa kasvaa työntövoimaa enemmän. Peruspurjeen suorituskykyä voi parantaa käyttämällä alumiinia vahvempaa liekamateriaalia, kasvattamalla liekojen jännitettä tai parantamalla ohjausrutiinia, tai kaikkia keinoja yhdessä. Parantuneen suorituskyvyn voi käyttää esimerkiksi hyötykuorman kasvattamiseen niin että matka-aika ja sähköpurjeen prosentuaalinen osuus kokonaismassasta pysyvät ennallaan. Suuretkin tehokkuuden lisäykset saattavat olla mahdollisia, koska esimerkiksi tavallinen hiilikuitu on yli kymmenen kertaa alumiinia vahvempi materiaali. Ehkä näillä keinoilla tulevaisuudessa voi kuljettaa jopa satojen tonnien kuormia planeettojen ja asteroidien välililä.

Pekka Janhunen

ESTCube-1 sähköpurjeen testi kiertoradalla

Sähköpurjekolumni 4.6.2009, julkaistu Avaruusluotaimessa 2/2009.

Sähköpurje-efekti on nyt tarkoitus mitata kiertoradalla. Satelliitin nimi on ESTCube-1, laukaisu 2012 ja se tulee olemaan Viron ensimmäinen satelliitti jonka rakentavat pääosin Tarton yliopiston opiskelijat. Satelliitin hyötykuormana on 10 m pituinen sähköpurjelieka sekä kamera. Lieka voidaan varata sähköisesti, jolloin siihen kohdistuu sähköpurjevoima, koska satelliitti lentää matalalla kiertoradallaan noin 7 km/s nopeudella ionosfääriplasman läpi. Sähköpurjevoiman suuruus mitataan liean ja satelliitin pyörimisliikkeen muutoksesta. Satelliitti on ns. yhden U:n cubesat eli sen massa on yksi kilogramma. Muodoltaan se on 10 cm kuutio jonka sivut on peitetty aurinkopaneeleilla. Hyötykuorman päävastuu on Ilmatieteen laitoksella, mutta hankkeessa on mukana myös muita kotimaisia ja ulkomaisia partnereita. Satelliittihankkeen kokonaiskustannusarvio on suuruusluokkaa 100,000 euroa.

ESTCube-1 nousee avaruuteen jonkin isomman satelliitin kylkiäisenä majaillen P-POD -laukaisuputkessa yhdessä muiden cubesatien kanssa. Kiertoradalle päästyään putken mekanismi potkaisee cubesatit ulos. ESTCube-1 stabiloi asentonsa magneettikeloilla, suorittaa tavanmukaiset alkutoimet (laitteiden tarkistus, radioyhteyden kokeilu ym.) ja ottaa muutamia kuvia Maasta. Sen jälkeen satelliitti laitetaan pyörimään hallitusti ja sähköpurjelieka lasketaan ulos kelalta. Lieka suoristuu keskipakoisvoiman vaikutuksesta ja sen päässä oleva pieni merkkipallo voidaan nähdä satelliitin kameran kuvissa. Nyt liekaan kytketään jännite päälle periodisesti esim. niin että jännite on päällä aina kun lieka liikkuu pyöriessään vasten ionosfääriplasman virtausta. Tällöin sähköpurjevoima jarruttaa liean pyörimistä hieman jokaisella puolen minuutin kierroksella. Vaikka voima on heikko, riittävän monen kierroksen jälkeen se pystyy muuttamaan liean ja satelliitin pyörimisnopeutta havaittavalla tavalla. Pyörimisnopeuden muutos voidaan mitata gyroskooppianturilla tai määrittämällä kameran kuvista kuinka usein Maa tulee näkökenttään.

EstCube-1 on 10 cm kanttiinsa.

ESTCube-1 lentää siis ionosfäärissä matalalla kiertoradalla, kun taas oikeiden sähköpurjealusten toimintaympäristö on tunnetusti aurinkotuuli.  Ionosfääriplasma virtaa satelliittiin nähden 50-100 kertaa hitaammin kuin aurinkotuuli mutta toisaalta se on jopa miljoona kertaa aurinkotuulta tiheämpää. Myös liean jännite on matalampi, vain 200 V eikä 20-40 kV kuten oikeissa sähköpurjealuksissa. Joka tapauksessa havaittava fysikaalinen ilmiö on sama, ja ESCube-1:n tuloksesta saadaan suoraa kokeellista tietoa siitä millainen suorituskyky oikeilla aurinkotuulessa lentävillä sähköpurjealuksilla tulee olemaan.

Vielä 8 kk sitten ei ollut lainkaan selvää että sähköpurje-efektiä voitaisiin ylipäätään järkevästi mitata muualla kuin aurinkotuulessa tai että mittaus voitaisiin tehdä niin äärimmäisen pienellä ja halvalla satelliitilla kuin mitä ESTCube-1 on. (Itse asiassa jo ajatu siitä että vain 1 kg painava satelliitti voi ylipäätään toimia on varsin uusi.)  17.4.2009 julkaistu ESTCube-1 -suunnitelma on useiden viimeaikaisten fysikaalisten ja teknisten oivallusten kombinaatio, jossa palaset loksahtavat lopulta kauniisti paikoilleen. Ei ole mitään syytä miksi satelliitin pitäisi tässä tapauksessa olla suurempi kuin 1 kg.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen voima on aiemmin arvioitua suurempi

Aiemmin julkaistu Avaruusluotaimessa 1/2009.

Asiat menevät joskus monimutkaista reittiä. Viimeksi kerroin negatiivisesta sähköpurjeesta ja että se voisi olla alkuperäistä positiivista voimakkaampi. Nyt on alkuperäistä positiivista purjetta analysoitu uudestaan ja näyttää siltä että se onkin noin viisi kertaa voimakkaampi kuin alunperin arvioitiin. Löytyi nimittäin mekanismi joka poistaa positiivisesta sähköpurjeesta liean sähkökentän vangiksi jääneet elektronit muutamassa minuutissa. Kun vangiksi jääneet elektronit eivät enää kiepu positii visen liean ympärillä, ne eivät varjosta sen sähkökenttää. Tällöin kenttä tunkeutuu kauemmas lieasta, jolloin purje muodostaa leveämmän esteen aurinkotuulelle ja tuottaa suuremman voiman.

Elektronit poistuvat vankilastaan yksinkertaisesti törmäämällä liekaan. Vangitun elektronin rata liean ympärillä on muodoltaan kuin kierrejousi. Rata kuitenkin muuttuu aina kun hiukkanen vierailee liekojen kiinnityskohdan eli avaruusaluksen lähellä missä sähkökenttä on epäsymmetrinen. Joskus harvoin ratamuutos on sellainen että se asettaa elektronin törmäyskurssille liean kanssa. Elektronit liikkuvat niin nopeasti, että harvinainenkin tapahtuma toteutuu ennen pitkää. Lopputulos on että liean potentiaalin päällekytkemisen yhteydessä vangiksi jääneet elektronit eivät ole ikuisia, vaan törmäävät liekaan ja kulkevat liekametallin johtavuuselektroneina sähköpurjealukseen, jonka elektronitykki heittää ne lopuksi avaruuteen kuten muutkin liekaan osuneet elektronit. 

Sähköpurje hakkaa SMART-1:sen ionimoottori 100-1, kun puhutaan elinaikasuoritteesta. Kuva: ESA/OHB-Sweden

Mihin sähköpurje tämän uuden opin mukaan voisi pystyä? Jos laite toimii kymmenen vuotta ja hinaa hyötykuormia esimerkiksi asteroideilta Maan kiertoradalle, sen elinaikanaan tuottama ominaisimpulssi (työntövoima kertaa käyttöikä jaettuna laitteen massalla) on karkeasti tuhat kertaa suurempi kuin kemiallisessa raketissa ja sata kertaa suurempi kuin SMART-1:n tai DS-1:n ionipropulsiossa. Tuhatkertainen suorituskyky: kuin harppaus 1990 -luvun alun webittömästä tietotekniikasta nykypäivään tai kivikautisesta ruuhesta valtamerifregattiin. Uusi toiminta periaate, uudet sovellukset, uusi maailma.

En vaadi Karthagon hävittämistä, mutta muuten olen sitä mieltä että sähköpurje pitäisi rakentaa

Negatiivinen sähköpurje

Sähköpurjekolumni 8.10.2008

Alkuperäinen sähköpurje perustuu positiivisesti varattuihin liekoihin. Lieat voisi varata myös negatiivisesti, jolloin ne vetäisivät aurinkotuulen protoneja puoleensa. Protonit muuttaisivat suuntaansa liean sähkökentässä, jolloin syntyisi samantapainen sähköpurje-efekti kuin positiivisenkin liean tapauksessa. Negatiivisen sähköpurjeen mahdollisuus on ollut tiedossa alusta alkaen, mutta suhtauduin siihen nuivasti koska siinä on monia hankaluuksia.

Nyt kuitenkin on käynyt ilmi että negatiivinen sähköpurje saattaisi tuottaa suuremman voiman per liean pituusyksikkö kuin positiivinen. Syynä tähän on se että ionit eivät juurikaan voi jäädä vangiksi liean sähkökenttään silloin kun kenttää kasvatetaan, koska aurinkotuulessa ei ole juuri lainkaan hitaita ioneja. Tällöin liekaa ympäröivä ionipilvi ei ole sen tiheämpi kuin ympäröivä aurinkotuuliplasmakaan, minkä takia pilven aiheuttama sähköinen varjostus vaimentaa liean sähkökentän vasta kauempana.

Mitä sitten ovat negatiivisen sähköpurjeen ongelmat?  Negatiivisen jännitteen ylläpitämiseen tarvitaan ionitykki, mikä on monimutkaisempi laite kuin elektronitykki. Ionit pitää luoda ionisoimalla esimerkiksi jotakin jalokaasua, jota kuluu prosessissa. Auringon UV-säteily irrottaa lieoista elektroneja (valosähköinen ilmiö). Niiden pois kuljettama varaus pitää sekin kompensoida ionitykillä. Langan pinnan voimakas sähkökenttä saattaa pystyä repimään elektroneja irti langasta (kenttäemissio).

Tällä hetkellä näyttäisi mahdolliselta että kaikki nämä ongelmat ovat kuitenkin periaatteessa ratkeavia. Ionitykki voidaan rakentaa, eikä ionien luomiseen kulu liikaa ainetta. Valosähköinen elektronivirta ei ole liian suuri tykillä kompensoitavaksi. Liean pinnalla vallitseva kenttä voidaan saada kohtuulliseksi käyttämällä liekana monesta langasta kudottua putkimaista verkkosukkaa.

Aika näyttää pystyykö negatiivinen sähköpurje kilpailemaan alkuperäistä positiivisesti varattuihin lankoihin perustuvan sähköpurjeen kanssa.  Voisi myös ajatella hybridipurjetta, joka sisältäisi liekojen lisäksi elektroni- ja ionitykin. Moottoria voisi silloin ajaa jopa kolmessa moodissa. Elektronitykki päällä se olisi tavallinen positiivinen sähköpurje, ionitykki päällä negatiivinen sähköpurje ja molemmat tykit päällä se olisi ionimoottori jolla voisi radan sopivissa kohdissa antaa potkua myös Auringon suuntaan. Teoriassa negatiivinen sähköpurje olisi parempi lähellä aurinkoa ja positiivinen taas kaukana auringosta, joten menetelmien yhdistely saattaisi olla järkevää.

Pekka Janhunen

Sarjatuotantoa

Sähköpurjekolumni 8.9.2008

Sarjatuotanto on teollisuuden perusta. Avaruuslaitteiden rakentaminen on tästä poikkeus, koska kutakin mallia tarvitsee tuottaa yleensä vain yksi tai muutama kappale. Sähköpurjeliekojen valmistuksen on kuitenkin oltava automatisoitua sarjatuotantoa, koska lieat ovat hyvin pitkiä ja lankaliitoksia tarvitaan miljoonia. Täysikokoinen sähköpurjealus sisältää tuhansia kilometrejä liekaa ja myös kymmeniä tai jopa satoja liekarullia. Rulliakin olisi siis hyvä tuottaa liukuhihnalta. Myös monet muut sähköpurjeen toiminnot voidaan hoitaa joukolla pieniä, keskenään samanlaisia osia. Toisin kuin satelliittien rakentamisessa yleensä, hyppäys yhden sähköpurjealuksen rakentamisesta suuremman määrän tekemiseen ei siis ole järin suuri, koska uutta tuotantotapaa ei tarvitse omaksua.  Sähköpurjealusten valmistus voisi tulevaisuudessa muistuttaa enemmän kännykkäteollisuutta kuin perinteistä avaruusteollisuutta.

Tulevaisuuden sähköpurjeet rakennettaneen sarjatuotantona, kuten tämä vuoden 1968 Ford Falcon. Kuva: CC-BY-ND-NC Flickr/Elgin Country Archives

Sähköpurjeliekojen tekemisessä päästiin kesällä tuottamaan lankaliitoksia tavalla joka soveltuu sarjatuotantoon. Tähän asti lankojen liittäminen sisälsi erään aikaavievän työvaiheen, josta on nyt siis päästy eroon. Tie ensimmäisen tuotantolinjan rakentamiseen näyttää nyt selvältä. Tämä on tärkeää, sillä käsin emme pysty tekemään tarpeeksi liekaa puolaus- ja muita testejä varten.

Aivan viime aikoina on alettu kiinnittää huomiota erääseen sähköpurjeen muunnelmaan. Uudessa tyypissä on vielä joitakin avoimia kysymyksiä ja se on teknisesti monimutkaisempi, mutta se voisi teoriassa tuottaa perusmallia paremman suorituskyvyn. Tästä toivottavasti lisää seuraavissa kolumneissa.

Pekka Janhunen

Aurinkoa ja vettä

Sähköpurjekolumni 17.1.2008

Aurinko, vesi ja ravinteet ovat elämän perusedellytykset. Missä vain on niitä kolmea, elämä rönsyilee, jos yksikin puuttuu, on autiota.  Aurinkoa ja vettä käytetään myös tämän artikkelissa "Sähköpurje, aurinkovoimasatelliitit ja energiantuotanto", joka julkaistiin alunperin Arkhimedes-lehdessä viime kesänä.

Sähköpurjeilla voitaisiin hakea asteroideilta vettä, josta tehtäisiin kiertoradalla rakettipolttoainetta (vetyä ja happea). Jos jäisiä asteroideja on lähellä Maata, rahtaus kannattaisi perinteisemmälläkin tekniikalla. Joka tapauksessa näin vältyttäisiin laukaisemasta polttoainetta Maasta, mikä halventaisi avaruustoimintaa. Tätä infrastuktuuria voisi käyttää moneen tarkoitukseen, mutta erityisesti aurinkovoimasatelliittien rakentamiseen. Aurinkovoimasatelliitit ovat nykyisellään noin sata kertaa liian kalliita, näin saataisiin hinnasta pois parhaimmillaan kaksi kolmasosaa. Alennusprosentti ei siis vielä riitä, lisäksi pitää halventaa kiertoradalle nousemista. Yksityiset laukaisufirmat uskovat että nykyinen 5000 euron kilohinta halpenee tekijällä kymmenen jos palvelut tilataan heiltä ja volyymi on riittävän iso. Näiden parannusten jälkeen satelliittisähkö olisi siis enää kolme kertaa kalliimpaa kuin sähkö nykyisin.

Aurinkovoimasatelliitti ei kärsi pilvisestä säästä! Kuva: Wikipedia

Fissio, fuusio, maanpäällinen aurinkovoima ja aurinkovoimasatelliitti. Siinä ovat tulevaisuuden energiavaihtoehdot. Aurinkovoimasatelliitin pääkustannus on laukaisu, mutta kun laite on radallaan, se on kuin voimaverkkoinsinöörin unelma: tasainen teho yöt ja päivät, vuoden ympäri.

Jos kisa käydään aurinkovoiman versioiden välillä, pohjoinen Suomi tulee olemaan se maa jossa satellittisähkö voisi olla ensimmäisenä kilpailukykyistä. Suomen kannattaisi havahtua aurinkovoimasatelliitteihin myös siksi että niitä on toistaiseksi kaavailtu vain geostationaariselle radalle. Pohjoisten alueiden kannalta hyviä, nykyisten paikannussatelliittien tyyppisiä ratoja ei ole suunnitelmissa näkynyt, joten asia odottaa tekijäänsä.

Pekka Janhunen

Pitkäkantoisempia aurinkotuuliennusteita

Sähköpurjekolumni 23.11.2007

Paitsi liikkumiseen aurinkokunnassa, sähköpurjetta voisi käyttää myös paikoillaan pysyttelemiseen esimerkiksi Maan ja Auringon välillä. Nykyisin aurinkotuulta mitataan Maan ja Auringon väliseen Lagrangen L1 -pisteeseen sijoitetuilla satelliiteilla (SOHO ja ACE). Järjestely toimii, mutta aurinkotuulelta (nopeus keskimäärin 450 km/s) kestää vain noin tunti kulkea Lagrangen L1-pisteestä Maahan. Tämä tarkoittaa sitä että L1-pisteeseen sijoitetulla satelliitilla avaruussäätä voidaan ennustaa maksimissaan vain 1 tunti eteenpäin, mikä on monia sovelluksia ajatellen hieman lyhyt varoitusaika. Sähköpurjeen antaman jatkuvan työntövoiman avulla aurinkotuulta monitoroiva satelliitti voisi kuitenkin pysytellä myös muualla kuin Lagrangen pisteessä, esimerkiksi kahden tunnin varoitusajan päässä Maasta. Alus kiertää silloin Aurinkoa radalla jonka kiertoaika on säädetty samaksi kuin Maan kiertoaika, mutta Auringosta mitattu etäisyys on pienempi kuin Maan. Eräs käytännön yksityiskohta on että koska aktiivisen sähköpurjeen korkea jännite häiritsisi aurinkotuulen mittausta, propulsiota ja aurinkotuulimittausta pitää vuorotella esimerkiksi viiden minuutin syklissä. Tämä ei ole ongelma, sillä sähköpurjeen langat menettävät varauksensa jo noin puolessa minuutissa elektronitykin poiskytkemisen jälkeen. Jos jostain syystä haluttaisiin ehdottomasti päästä jatkuvaan mittaukseen, mittauspää voitaisiin asettaa 100-200 m pituisen eristävän liean päähän jolloin sähköpurjeen jännite ei sitä enää häiritsisi, mutta avaruussääsovelluksiin viiden minuutin taukoja sisältävä mittaussarja käy yhtä hyvin.

Kahden kappaleen systeemin Lagrangen pisteet (vihreät pisteet). Keltaisella merkitty suurempi kappale voi olla esimerkiksi Aurinko, sinisellä merkitty pienempi Maa. Lähde: Wikipedia.

Suomen Akatemia päätti syyskuussa tukea vuosien 2008-2011 aikana sähköpurjeen tieteellisten sovellusten tutkimista merkittävällä summalla, mikä antaa meille tukevan selkänojan varsinaisen laiterakennusrahoituksen saamiseksi jostain muualta.  Olemme myös jo saaneet kesäkuussa jätetyn ison EU-hakemuksemme (11 laitosta kuudesta eri maasta jota Ilmatieteen laitos johtaa) evaluaatioraportin, jonka mukaan hakemuksemme arvioitiin niin hyväksi että pääsimme loppusuoralle niiden hakemusten joukkoon jotka mahdollisesti tullaan rahoittamaan. Tätä kirjoitettaessa lopullista päätöstä siitä mitkä hankkeet EU tulee rahoittamaan ei ole vielä saatu (alkuperäisen aikataulun mukaan päätöksen piti saapua lokakuussa). Toivotaan että sanonta "hiljaa hyvä tulee" pitää EU-päätöksenteossa tässä tapauksessa paikkansa.

Pekka Janhunen

Aurinkovoimasatelliiteista energiaratkaisu?

Tämä kolumni on julkaistu Avaruusluotaimessa 2/2007 ja sen taitettu PDF versio on ladattavissa Suomen Avaruustutkimusseuran sivuilta.

Italialaiset ovat saaneet ratalaskunsa valmiiksi ja niiden tulokset sisältävä käsikirjoitus on lähetetty Journal of Spacecraft and Rockets -lehteen. Tutkimuksessa laskettiin optimaalisia matka-aikoja eri kohteille sisäaurinkokunnassa erilaisille sähköpurjekokoonpanoille ja hyötykuormille. Pitkän tähtäimen sovellusten miettimistä on muutenkin jatkettu ja piakkoin aiheesta ilmestyy suomenkielinen artikkeli.

Osallistuin huhtikuussa Bostonissa avaruusalan tulevaisuutta käsittelevään symposiumiin ("Future of space exploration: solutions to earthly problems?"). Aurinkovoimasatelliitit olivat vahvasti esillä, erityisen merkittävänä pidin sitä että kokous alkoi tunnin mittaisella, erinomaisen asiapitoisella videoesityksellä jonka piti Intian presidentti Abdul Kalam. Hän näki aurinkovoimasatelliitit ja niiden tuottaman sähköenergian tärkeänä tekijänä maansa tulevaisuudelle mm. siksi että jos energiaa on riittävästi, merivedestä voitaisiin silloin valmistaa suolatonta juoma- ja käyttövettä. Kun ajatusten takana on 800-miljoonaisen maan presidentti ja entinen maansa avaruusohjelman johtaja, niitä ei radikaalisuudestaan huolimatta kannata sivuuttaa kevyesti.

NASAn Suntower, lähde Wikipedia

Sähköpurjeen tekninen kehitys on viime numeron jälkeen edennyt erityisesti lentosimulaattorin ohjelmoinnin osalta.  Paljon aikaa on kulunut rahoitushakemusten tekoon ja toiminnan justeeraamiseen rahoituspäätösten aikatauluun sopivaksi. ESA ilmaisi kolmisen kuukautta sitten periaatteellisen halunsa rahoittaa hanketta, mutta konkreettisen hakemuksen tasolle ei ole vielä päästy. TEKES teki kielteisen rahoituspäätöksen huhtikuun lopussa, mikä tietysti vaikeuttaa teknisen kehitystyön tekemistä Suomessa. Tällä hetkellä toimitaan periaatteessa nollabudjetilla, koska aiemmat säätiörahat on käytetty. Meitä työllistää erityisesti EU-hakemus jonka jättöpäivä on 19.6. ja jossa on mukana useita maita.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen kuulumisia

Tämä juttu on julkaistu Avaruusluotaimessa 1/2007 ja sen taitettu PDF versio on ladattavissa Suomen Avaruustutkimusseuran sivuilta.

Viime numerossa olleen sähköpurjeuutisen jälkeen on aiheen tiimoilla tapahtunut melko paljon. Elektronitykin suunnittelu on edennyt ja näyttää ainakin massa-arvojen puolesta hyvältä. Kuten muualla tässä numerossa kerrotaan, lankamateriaalien selvitystyössä on löydetty firma joka pystyy toimittamaan tarvittavan ohutta ja yllättävän vahvaa metallilankaa. Työn on tarkoitus jatkua lankaliitosten tutkimuksella: hitsausta tai juottamista joko laserilla tai ultraäänellä, ja sen olisi lopulta tapahduttava automaattisesti ja nopeasti, koska täysikokoisessa sähköpurjeessa on lankaliitoksia jopa yli 100 miljoonaa. Sähköpurjeen "lentosimulaattorin" ohjelmointityö on alkamassa, samoin ratalaskut joissa selvitetään kulkuaikoja, hyötykuormia ja laukaisuikkunoiden ajallisia kestoja erilaisille asteroidi- ym. missioille.  Rahoituksen haku on täydessä käynnissä ja sen tuloksista voi parhaassa tapauksessa olla jotain kerrottavaa ensi numerossa.