Sähköpurjeen sovelluksia, osa 3: Lento ulos aurinkokunnasta

Sarjan aiemmissa osissa käsiteltiin plasmajarrua avaruusromun torjumiseen sekä maailman pelastamista poikkeuttamalla uhkaava asteroidi pois Maan reitiltä. Nyt esitellään IHP-luotainehdotus (Interstellar Heliopause Probe), jossa lennetään ulos aurinkokunnasta suurella nopeudella tutkimaan heliosfäärin ulkopuolella olevaa tähtienvälistä avaruutta, jonne asti aurinkotuuli ei ulotu. Siellä vastaan tuleva kaasu, plasma, kosminen säteily, magneettikenttä ja pöly ovat se varsinainen iso avaruus, Linnunradan avomeri, jossa aurinkokunnallamme on paljon tilaa vaeltaa pitkää ja yksinäistä reittiään.

Lento ulos aurinkokunnasta suurella nopeudella on se sovellus, jota varten sähköpurje alunperin kehitettiin. Jotta heliosfäärin rajan läpi (noin 200 AU:ta) päästäisiin järkevässä ajassa, pitää luotaimen loppunopeuden olla vähintään 50 km/s eli 10 AU:ta vuodessa. Näin hurjan vauhdin saavuttaminen perinteisillä keinoilla on vaikeaa. Voyager-1 viilettää 16 km/s, mikä saavutettiin koska jättiläisplaneetat sattuivat 1970-luvun lopulla olemaan samalla puolella Aurinkoa jolloin  niiden lähiohituksia voitiin käyttää nopeuden kasvattamiseen. Yksi tapa saavuttaa suurehko loppunopeus on pudottautua kohti Aurinkoa ja tehdä rakettipoltto radan lähimmässä pisteessä. Tällöin luotaimen kokonaisenergia kasvaa huomattavasti, koska liike-energia on verrannollinen nopeuden neliöön ja lähimmässä pisteessä nopeus on Auringon vetovoiman takia jo alun perin suuri. Jotta menetelmä olisi tehokas, pitää kuitenkin mennä hyvin lähelle Aurinkoa ja rakettipolton on oltava voimakas. Auringon läheisyys vaatii lämpösuojan, mikä pienentää hyötykuormaa, ja parhaat kemialliset rakettipolttoaineet ovat valitettavan herkkiä lämmölle. Auringon lähelle pääsemiseksi joudutaan ensin tekemään useita sisäplaneettojen lähiohituksia, mihin kuluu aikaa.

Voyagerit ottivat matkalla vauhtia jättiläisplaneetoilta. Kuva: Wikipedia

Pitkä kiihdytys ydinreaktorista tehonsa saavalla ionimoottorilla olisi toinen tapa päästä suureen loppunopeuteen. Jotta ajoaine riittäisi pitkään, ionimoottorin ominaisimpulssin on oltava hyvin suuri, joten moottori tarvitsee paljon sähkötehoa tuottamaansa työntövoimayksikköä kohti. Ydinreaktorin teho-painosuhde ei ole kovin hyvä, koska avaruudessa ainoa tapa säteillä ulos lämpövoimakoneen hukkalämpöä on lauhdutin. Lauhdutin ei voi olla kevyt, koska sen pinta-alan on oltava iso ja seinämien riittävän paksut jottei jäähdytysneste vuotaisi ulos meteoroidin tekemästä reiästä. Luotaimen massaa kasvattaa myös neutronisuojaseinä, joka tarvitaan reaktorin ja luotaimen elektroniikan välissä. Pyörivän turbiinigeneraattorin laakeroinnin luotettavuus pitkällä lennolla on kyseenalainen. Matka-aikaa pidentää se että kiihtyvyys on alussa pieni ja kasvaa vasta kun ionimoottorin ajoainetankki alkaa tyhjentyä. Hitaan alun takia keskinopeus matkalla 200 AU:n päähän jää matalammaksi kuin mitä loppunopeudesta voisi päätellä.

Aurinkopurje eli valopurje olisi kolmas mahdollisuus. Vuonna 2007 ESA:n CosmicVision -ohjelmaan jätetty IHP-luotainehdotus (Interstellar Heliopause Probe) sisälsi 300-metrisen aurinkopurjeen ja luotaimen kokonaismassa oli 500 kg, josta noin puolet oli aurinkopurjetta. 300-metrinen purje on aivan liian iso maan päällä avattavaksi, joten sen avausmekanismin toimivuudesta avaruudessa olisi vaikea varmistua ennen luotaimen laukaisemista.

Sähköpurjeen valttina on aurinkopurjetta suurempi teho ja parempi testattavuus. Liean kelautuminen ulos rullalta voidaan testata maan päällä tyhjiökammiossa antamalla painovoiman simuloida keskipakoisvoimaa. Kuten ei aurinkopurjetta, täysikokoista sähköpurjettakaan ei toki voida avata maassa, mutta sähköpurjeen avaaminen ja lento voidaan mallintaa melko hyvin, koska yksiulotteisten liekojen liikkuminen on helpompi mallintaa kuin valopurjeen kaksiulotteinen kalvo, joka on alussa pakattu kanisteriin taiteltuna monelle mutkalle.

Sähköpurjeella IHP-luotain voitaisiin toteuttaa esimerkiksi seuraavasti. Käytetään 60 liekaa joista kukin on 33 km pitkä. Luotaimen kokonaismassa on 170 kg, josta 70 kg on sähköpurjetta ja tehojärjestelmää ja 100 kg tieteellisiä instrumentteja ja kommunikaatiojärjestelmää, joka sisältää isohkon paraboliantennin. Tehojärjestelmä sisältää 50 watin tehoisen RTG:n (radioisotooppivirtalähteen) ja aurinkopaneelit, jotka tuottavat alussa (1 AU etäisyydellä) vähän yli kilowatin tehon. Luotain laukaistaan pakoradalle, minkä jälkeen se avaa sähköpurjeen, käyttää sitä puolitoista vuotta ja heittää sen sitten pois. Tällöin alus on Uranuksen etäisyydellä (20 AU) ja lentää matkanopeudella 75 km/s. 6.5 vuoden kuluttua lähdöstä luotain on 100 AU:n etäisyydellä eli osapuilleen siellä missä Voyager-1 on nyt ja missä aurinkotuuli päättyy terminaatioshokkiin. Heliosfäärin rajan (200 AU) luotain läpäisee 13 vuoden kuluttua lähdöstä.

Voyagerit ovat jättämässä aurinkokunnan tomuja taakseen. Kuva: Wikipedia.

Sähköpurjeella toteutettava IHP on niin kevyt, että saman tien kannattaisi lähettää kaksi tai useampia identtisiä luotaimia, esimerkiksi ensimmäiset kaksi yhdellä Soyuz-laukaisulla ja seuraava pari vähän myöhemmin. Useampi luotain pienentää epäonnistumisen riskiä ja tuottaa arvokkaita gradienttimittauksia heliosfäärin plasmasta. Luotainohjelma ei olisi sen kalliimpi kuin muutkaan ESA-missiot, koska suuresta nopeudesta seuraava kohtuullinen toiminta-aika pitää operointikulut kurissa. Koska luotain ei käytä planeettojen ohilentoja, laukaisu on mahdollinen joka vuosi.  Sähköpurjeelta vaadittava toiminta-aika on vain puolitoista vuotta. Vaikka purje lakkaisi toimimasta jo puolen vuoden päästä eli Jupiterin etäisyydellä, loppunopeus olisi silti täysin riittävä 60 km/s. Mahdollinen epäonnistuminen tiedetään siis jo muutaman kuukauden päästä ja ratadynamiikan kannalta uusi yritys voidaan tehdä viimeistään seuraavana vuonna. Tilanne on helpompi kuin jopa Mars-tutkimuksessa, jossa seuraavaa laukaisuikkunaa pitää odottaa kaksi vuotta!

Heliosfääri on magnetosfääriä muistuttava monimutkainen plasma-alue, joka ei tule kunnolla tutkituksi yhdellä tai muutamalla luotaimella. Sähköpurjetekniikalla heliosfäärin ulko-osien tutkimus ei ole enää mikään millenium-projekti, vaan tuloksien odotteluajat ja hankkeen riskit ovat samantapaisia kuin arkipäiväisissä Maata ja Marsia kartoittavissa satelliittiohjelmissa.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 2: Asteroidin siirto sähköpurjetta käyttäen

Julkaistu aiemmin Avruusluotaimessa 1/2010

Esittelen tässä sähköpurjeen yhden käyttömahdollisuuden, asteroidin hinaamisesta toiselle radalle. Alla oleva posteri esitetään European Geosciences Unionin (EGU) yleiskokouksessa Wienissä 2.- 7. 5.2010.

EGUssa esitetty asteroidintorjuntaposteri.

Julisteen vasemmassa laidassa on yhteenveto asteroideista. Niitä vilisee avaruudessa paljonkin erikokoisia murikoita ja vaikka joskus tietäisimmekin kaikkien uhkaavan kokoisten asteroidien paikat ja radat, voi niihin tulla keskinäisten törmäysten vuoksi yllättäviäkin muutoksia. Pienempi kivi saattaa kovalla nopeudella isompaan asteroidiin osuessaan pahimmassa tapauksessa vääntää sen rataa niin, että se yhtäkkiä onkin kurssilla kohti maata.

Asteroidit eivät kuitenkaan ole toivottuja vierailijoita Maassa, joten on ryhdyttävä toimiin asteroidien pitämiseksi poissa lähettyviltämme! Jos aikaa ennen törmäystä on tarpeeksi, kymmenisen vuotta, ennätämme kehittää sähköpurjehinaajan ja toimittaa sen perinteisinkin menetelmin tuon Maan rauhaa uhkaavan lohkareen lähettyville. Itse sähköpurje on esitelty posterin oikeassa laidassa. Keskeisimmän paikan olen antanut yksinkertaiselle laskelmalle yhden Newtonin vetovoimaisen sähköpurjeen hinaustehosta. Kolmen miljardin kilogramman lohkareen siirtämiseksi pois vaaran alueelta tarvitaan reilut kuusi vuotta. Mutta on keinoja rakentaa tehokkaampiakin sähköpurjeita, joko kasvattamalla yhden purjeen kokoa, tai vaikka asettamalla useampia purjeita peräkkäin. Kahden nominaalipurjeen teholla murikkaa tarvitsee vetää enää neljä vuotta ennen kuin päästään turvallisemmille avaruuden alueille.

Sähköpurjevoimaa voisi skaalata ylöspäin ketjuttamalla useampia purjeita peräkkäin.

Ongelmallisinta on sähköpurjeen kiinnittäminen hinattavaan asteroidiin, joka saattaa pyöriä villisti ja olla muodoltaan hyvinkin epäsäännöllinen. Käyn läpi kaksi eri tapaa, yksinkertaisen harppunoinnin, sekä niinsanotun gravitaatiotraktorin. Traktori tarkoittaa isoa, tässä tapauksessa vajaan 30 tonnin massaa, jota roikotetaan hinausköydestä lähellä asteroidin pintaa. Tämän traktorimassan ja asteroidin keskinen painovoima välittää sähköpurjeen aiheuttaman vedon, ja niin isokin asteroidi liikahtaa. Molemmissa lähestymistavoissa on ongelmansa. Traktoria varten täytyy vaikkapa asteroidin pinnalta kerätä suuri määrä irtomurikoita tarvittavaksi massaksi. Tämän toteuttamiseen tarvitsee kehittää paljon mutkikasta tekniikkaa, jotta työ saadaan toteutettua hyvinkin kaukana Maasta ja jotta traktorin massaa voidaan onnistuneesti tasapainoittaa epästabiilissa tilassaan asteroidin ja sähköpurjeen välillä.

Gravitaatiotraktorin avulla asteroidiin A voidaan kohdistaa voima ilman mekaanisia liitäntöjä, jolloin asteroidin muodolla, pyörimisellä tai pinnan ominaisuuksilla ei ole väliä.

Sähköinen aurinkotuulipurje tarjoaa oivan vaihtoehdon asteroidien ratojen muuttamiseen, kunhan aikaa operaation toteuttamiseen on useita vuosia. Kiireellisemmissä tapauksissa joudutaan turvautumaan ydinräjähteisiin tai muihin väkivaltaisempiin tapoihin.

EGUssa posteria esittelemässä. Kuva: Mikko Syrjäsuo

Aiheesta on kirjoitettu myös tieteellinen julkaisu: Merikallio, S. and P. Janhunen, Moving an asteroid with electric solar wind sail, Astrophys. Space Sci. Trans., 6, 41-48, 2010.

Sähköpurjepuhe SGC:ssä Daejonissa Etelä-Koreassa.
Kuva: Ilji Jang

Idea myös voitti SGAC:n järjestämän "Move an Asteroid" -ideakilpailun vuonna 2009 ja esiteltiin SGC:ssä Daejonissa, Etelä-Koreassa.

Sini Merikallio

Sähköpurjeen sovelluksia, Osa 1: Sähköpurjelieka plasmajarruna – avaruusromuongelma historian romukoppaan?

Julkaistu Avaruusluotaimessa 3/2009.

Sarjassa tullaan käsittelemään sähköpurjeen sovelluksia. Jotkut sovellukset on aiemmin mainittu sähköpurjekolumneissa, osa tulee olemaan uusia. Aloitamme sarjan läheltä Maata, yksinkertaisesta lähiajan sovelluksesta joka on myös kaupallisesti mielenkiintoinen. Plasmajarru on sähköpurjeen pikkuveli joka on tarkoitettu pienehköjen satelliittien palauttamiseen ilmakehään tehtävän päätyttyä.

Pekka Janhunen kertomassa keksimänsä sähköpurjeen toimintaperiaatteesta Eestin Vooressa fysiikan syyskoulussa (Täppisteaduste Sygiskool), lokakuussa 2009. Kuva: Sini Merikallio

Aurinkotuulessa sähköpurjelieat varataan positiivisesti, jolloin ne hylkivät aurinkotuulen protoneja. Ne voisi varata myös negatiivisesti, jolloin ne vetäisivät protoneja puoleensa, mistä seuraisi samantapainen voimavaikutus koska voimavaikutuksen saamiseksi riittää häiritä protonien suoraviivaisia ratoja jollain tavalla. Negatiivisesti varatussa sähköpurjeessa on kuitenkin kaksi ongelmaa: elektronitykin sijasta pitää käyttää ionitykkiä ja jännitettä ei voi nostaa kovin korkeaksi jottei sähkökenttä repisi lieoista irti elektroneja (tarkemmin sanottuna: jännitteen suhde liean paksuuteen ei saa olla liian suuri). Negatiivisesti varatusta metallipinnasta irtoaa nimittäin elektroneja (kenttäemissio) paljon pienemmällä pintasähkökentällä kuin positiivisesti varatusta metallista voi irrota positiivisia ioneja. Ionitykki ei ole periaatteessa ongelma, mutta on kuitenkin elektronitykkiä monimutkaisempi ja kuluttaa ainetta josta ionit tehdään mikä rajoittaa toiminta-aikaa ainakin periaatteessa. Näistä syistä aurinkotuulessa lentävä sähköpurje yleensä ajatellaan positiivisesti varatuksi.

Sähköpurje ei toimi Maan magnetosfäärin sisällä missä satelliitit kiertävät, koska magneettikenttä estää aurinkotuulen pääsyn sinne. Sähköpurjeella voi  kuitenkin jarruttaa satelliitin kulkua. Prosessi riippuu paljon satelliitin ratakorkeudesta. Alle tuhannen kilometrin korkeudella ionosfäärin plasma on tiheää, jopa miljoona kertaa aurinkotuulta tiheämpää, ja magneettikenttä on voimakas. Jos tavallinen sähköpurjelieka tuodaan tällaiseen ympäristöön ja pannaan positiiviseen jännitteeseen, lieka alkaa kerätä tehokkaasti elektroneja tiheästä plasmasta. Kerätty elektronivirta kulkee pitkin liekaa, jolloin liekaan vaikuttaa magneettinen Lorentzin voima (jxB-voima) koska Maan magneettikenttä on myös melko voimakas. Tämä niinsanottu elektrodynaaminen liekaefekti (ED-liekaefekti) on sähköpurje-efektiä suurempi, paitsi jos lieka on niin lyhyt kuin ESTCube-1:ssä eli noin 10 m. ED-liekaefektin kokonaisvoima kasvaa liean pituuden neliössä kun taas sähköpurje-efekti on suoraan verrannollinen liean pituuteen.

Tilanne kuitenkin muuttuu jos sähköpurjelieka on negatiivisesti varattu. Tällöin lieka kerää virtaa paljon maltillisemmin kuin positiivisessa tapauksessa, koska ionit liikkuvat paljon hitaammin kuin elektronit. Eroa vielä kasvattaa se että ionit tässä tapauksessa ovat enimmäkseen happi-ioneja jotka ovat 16 kertaa raskaampia kuin protonit. Elektronien kenttäemissio ei ole ongelma kunhan jännite pidetään maltillisena. Jännitteen ei tarvitse tässä tapauksessa olla järin suuri koska satelliittia vastaan tulevat ionosfäärin ionit lentävät vain nopeudella 7 km/s mikä vastaa 4-5 elektronivoltin energiaa (vertailun vuoksi aurinkotuulen protonien liike-energia on 1-4 keV). Ionitykki sentään tarvitaan, vai tarvitaanko?

Ionitykkiä ei yleensä tarvita, koska tässä tapauksessa satelliitin johtava runko riittää keräämään plasmasta elektronivirran, joka kompensoi liean keräämän ionivirran. “Yleensä” tarkoittaa tässä sitä että asia riippuu satelliitin rungon johtavan osan koosta, mutta että tyypillisessä satelliitissa pinta-ala riittää varsin hyvin. Tarvitaan siis vain lieka ja jännitelähde, joka generoi satelliitin ja liean välille potentiaalieron jossa lieka on satelliittiin verrattuna negatiivinen. Satelliitti asettuu hivenen positiiviseksi ja lieka vahvasti negatiiviseksi. Maan painovoimagradientti kiristää liean.

Pienille satelliiteille (noin 100-200 kg asti) sähköpurje-efektiin perustuva plasmajarru on karkeasti noin kymmenen kertaa tehokkaampi laite kuin ED-lieka. Tehokkuusero tulee siitä että lieka on ohut koska sen ei tarvitse kantaa virtaa, ainoastaan pysyä varattuna. Lisäksi tehonkulutus on pieni koska ohut lieka ei kerää paljon virtaa. Isommilla satelliiteilla (pitempi ja/tai paksumpi lieka) plasmajarru muuttuu jatkuvalla tavalla ED-lieaksi. Erittäin tärkeä etu suhteessa ED-liekaan on se että plasmajarrulieka on niin ohut että vaikka se katkeaisi, irtonainen pää ei muodosta uhkaa muille satelliiteille. Jos lieka osuu toiseen satelliittiin, jokaisesta ~50 mikrometrin langan osumasta syntyy n. 0.5 mm leveä ja 0.1 mm syvä vakomainen kraatteri. Tällaisen naarmun ei pitäisi normaalisti haitata muita satelliitteja. Sitäpaitsi irtonainen lieanpätkä putoaa ilmakehään tyypillisesti muutamassa viikossa ilmanvastuksen takia koska sen pinta-alan ja tilavuuden suhde on hyvin suuri, mikä pienentää todennäköisyyttä että se ehtisi osua muihin satelliitteihin. ED-lieat ovat paljon paksumpia ja siten potentiaalinen sekundäärisen avaruusromun lähde.

1-3 kg kuutiosatelliitin lähettäminen maksaa noin 50,000-100,000 € ja niiden määrä lisääntyy nopeasti kun yhä pienemmät organisaatiot (tällä hetkellä isohkot yliopistot ja pienet maat, seuraavassa vaiheessa yksittäiset tutkimusryhmät, maakunnat ja yritykset) lähettävät niitä. Jossain vaiheessa cubesatien määrää joudutaan tavalla tai toisella rajoittamaan, koska niiden muodostama avaruusromuongelma on liian suuri, tai sitten ne pitää varustaa palautusmekanismilla. Palautusmekanismiksi ei käy tavallinen rakettimoottori, koska pyrotekniikka on kuutiosatelliiteissa kielletty. Kieltoon on hyvä syy, sillä jos niissä olisi sisällä rakettipolttoainetta, satelliitin rakentajan pitäisi todistaa kantorakettifirmalle (tai ottaa kallis vakuutus) että satelliitti ei voi räjähtää ja vaarantaa päähyötykuormaa (kuutiosatelliitithan laukaistaan aina piggybackinä eli isomman satelliitin oheishyötykuormana). Sähköpurjeen ideaa soveltava plasmajarru näyttäisi tarjoavan tähän lähitulevaisuuden ongelmaan ratkaisun joka on yksinkertainen, halpa, toimintavarma ja turvallinen.

ESTCube-1 tulee tämänhetkisen suunnitelman mukaan tehtävän loppupuolella demonstroimaan plasmajarrutusta ajamalla 10-metristä liekaansa negatiivisessa moodissa. Lieka on tosin niin lyhyt että sen avulla jarrutus ilmakehään asti kestää varsin pitkään, mutta ratakorkeuden aleneminen pystyttäneen silti todentamaan. On myös keskusteltu mahdollisuudesta lisätä liean pituutta jo ESTCube-1:ssä, jolloin jarrutus olisi tehokkaampaa.

Plasmajarrun, samoin kuin ED-liean, teho putoaa yli 1000 km korkeudella nopeasti koska plasmatiheys on siellä pienempi. Mutta pahin avaruusromuongelma esiintyy juuri aurinkosynkronisten naparatojen (n. 700-800 km) kohdalla, missä plasmajarru toimii erinomaisesti.

Plasmajarrun ideaa voi laajentaa ja kehitellä eteenpäin. Jos sitä haluaa soveltaa isompiin, jopa  tonnien painoisiin satelliitteihin, liekoja pitää olla useita jolloin ne pitää stabiloida pyörittämällä. Voidaan myös ajatella erityistä romuntorjuntasatelliittia, joka vaeltaa esim. ionimoottorin avulla ja käy kiinnittämässä vanhojen satelliittiromujen kylkeen plasmajarruja esim. magneetilla tai pienellä harppuunalla. Yksi plasmajarru painaa koosta riippuen ehkä 50-500 grammaa. Jos satelliitti on niin iso että se ei pala täydellisesti ilmakehässä, plasmajarrun voi varustaa paikantimella ja logiikalla joka säätää jännitettä niin että paluu ilmakehään tapahtuu halutussa paikassa esim. eteläisen Tyynenmeren yllä.

ESA on ilmaissut pyrkimyksen rahoittaa plasmajarrun lisätutkimuksia.

 Pekka Janhunen

PS. Myös URSA uutisoi aiheesta myöhemmin vuoden 2010 puolella.