Space Propulsion 2014 -kokous Kölnissä

Osallistuin Space Propulsion 2014 -kokoukseen Kölnissä. Kyseinen kokous on tarkoitettu ensisijaisesti eurooppalaisille osanottajille ja se pidetään kahden vuoden välein. Osallistujia oli noin 500 ja olin ainoa edustaja Suomesta. Pidin kokouksessa 20 minuutin esitelmän sähköpurjeesta ja plasmajarrusta ja sain siitä positiivista palautetta. Esitelmästä laadittiin myös julkaisu.

Euroopan kantorakettiasiat olivat kokouksessa runsaasti esillä. Ariane-5:een tullaan tekemään "midlife extension" -päivitys joka nostaa raketin suorituskykyä. Sen jälkeen Ariane-5:stä ilmeisesti asteittain luovutaan ja sen korvaa noin puolet pienempi Ariane-6. Ariane-rakettien pääasiallinen asiakasryhmä ovat maasynkroniset tietoliikennesatelliitit, joita Ariane-5 rahtaa ylös yleensä kaksi kappaletta kerralla. Suunnitelma on että Ariane-6 vie ylös yhden satelliitin kerrallaan ja lentää vastaavasti useammin.

Ariane-6 PPH

Kiistaa on kuitenkin Ariane-6:n tekniikasta. Tämänhetkinen suunnitelma ("PPH") on että raketin sekä ensimmäinen että toinen vaihe käyttävät kiinteitä polttoaineita ja vain ylin vaihe nestevetyä. Ensimmäinen vaihe sisältää kolme rinnakkaista boosteria ja toinen vaihe yhden. Raketit ovat identtisiä eli jokaista Ariane-6 varten riittää valmistaa neljä kappaletta identtisiä kiinteän polttoaineen rakettivaiheita sekä yksi nestevetyraketti jossa on yksi moottori. Ratkaisu on ilmeisesti suhteellisen taloudellinen. Ranskalaiset tekevät kiinteän polttoaineen raketit ja ylin nestevetyvaihe on puolestaan saksalainen. Saksalaiset eivät ole ratkaisusta pitäneet koska heidän osuutensa urakasta muodostuu paljon pienemmäksi kuin Ariane-5:ssä. Kölnissä tämä tyytymättömyys purkautui joissakin paneelikeskusteluissa. Saksalaiset kokevat että eurooppainen nesterakettiosaamisen perinne on uhattuna, jos PPH:ssa ainoa jatkuva hanke on pieni ylimmän vaiheen Vinci.

Vinci-moottori

Minusta näyttää siltä että kertakäyttöiseksi kantoraketiksi PPH on halpa ratkaisu. Toinen asia on että SpaceX on viime aikoina ottanut onnistuneita askeleita uudelleenkäytettävyyden suuntaan, ja jos heidän suunnitelmansa onnistuvat, heidän kanssaan saattaa olla vaikea kilpailla millään kertakäyttöisellä ratkaisulla. Siihen kisaan vastaamiseksi pitäisi nimenomaan liikkua nesterakettien suuntaan, kuten saksalaiset haluavat. Mutta toisaalta laukaisuja tehdään tällä hetkellä niin harvakseltaan että uudelleenkäytettävä systeemi ei ehkä ole kannattava. SpaceX ilmeisesti luottaa siihen että jos uudelleenkäytettävyys tuo ensin hintaa alas niin laukaisuvolyymikin kasvaa.

Myös brittien Reaction Engines Ltd oli kokouksessa esillä melko näkyvästi. Heidän konseptinsa on siivekäs Skylon-alus joka nousee lentokentältä, kiihdyttää kuusinkertaiseen äänennopeuteen ilmaahengittävässä moodissa, vaihtaa sitten rakettimoodiin, nousee kiertoradalle, jättää sinne hyötykuorman, palaa takaisin ilmakehään ja laskeutuu lentokentälle. Heidän innovaationsa on Sabre-moottori joka on ikäänkuin yhdistetty suihku- ja rakettimoottori, polttoaineena nestevety. Toki riskitaso Skylonin tapaisessa hankkeessa on suurempi kuin esimerkiksi Ariane-sarjan kantoraketeissa.

ESTCube-1 erikoisnumero

Proceedings of Estonian Academy of Sciences (englanninkielinen vertaisarvioitu tieteellinen julkaisusarja jota julkaisee Viron tiedeakatemia) on julkaissut ESTCube-1 -teemanumeron jossa on yhdeksän ESTCube- ja sähköpurjeaiheista artikkelia. Artikkelien kirjoittajat ovat pääosin satelliitin rakentaneita virolaisia ja suomalaisia tutkijoita ja niiden aiheet käsittelevät ESTCube:n sähköpurjekoetta sekä satelliitin alijärjestelmiä kuten päätietokonetta, tehojärjestelmää, asennonsäätöjärjestelmää ja kamerajärjestelmää. Mukana on myös sähköpurjeen sovelluksia luotaava artikkeli.

Miehitetyistä Mars-lennoista

HERRO: robottiluotainten ja miehitetyn Mars-lennon välimuoto

NASA:n George Schmidt on ehdottanut että Marsia kiertämään lähetetään avaruuslentäjiä, jotka etäohjaavat tosiaikaisesti pinnalla liikkuvia robottiluotaimia. Hän käyttää ajatuksesta nimeä HERRO: HumanExploration using Realtime Robotic Operations. Maasta ohjattavilla luotaimilla edestakainen tiedonsiirtoviive on tyypillisesti kymmeniä minuutteja. Marsin kiertoradalta käsin viive on vain sekunnin murto-osia, mikä avaa joukon uusia mahdollisuuksia. Schmidt kumppaneineen ehdottaa myös ajatuksen soveltamista muihin taivaankappaleisiin kuten Venukseen.

Minusta ajatus on mielenkiintoinen. Etäläsnäolon avulla robotilla voi periaatteessa tehdä lähes samat temput kuin pinnalla jäykässä avaruuspuvussa kävelevä ihminen pystyisi tekemään. Siinä tunnusteleeko ihminen Marsin hiekkaa avaruuspuvun jäykän käsineen läpi vai etäläsnäolon kautta kiertoradalta ei aistikokemuksen ja toiminnan tehokkuuden kannalta ole välttämättä suurta eroa, jos tekninen toteutus on laadukas.

Kuva: Schmidt ym., 2011.
MOI=Mars Orbit Insertion=poltto jolla päästään planeetan kiertoradalle.

Kiertäminen Marsia on halvempi ja riskittömämpi vaihtoehto kuin pinnalle laskeutuva retkikunta, eikä ole vaaraa planeetan saastumisesta ihmisen mukanaan tuomista Maan mikrobeista. Retkikunta tutkisi pyöräajoneuvollaan melko pientä aluetta, mutta etäohjattavia luotaimia voi olla planeetan eri puolilla. Koska luotaimet voivat ottaa isompia riskejä kuin ihmiset, niitä saadaan myös hankaliin paikkoihin. Myös kanjoneita ja luolia tutkiva pieni lennokkiluotain voisi olla mahdollinen, kun luotaimen puikkoihin saadaan aito lentäjä-ässä eikä tekoäly. Marsia kiertävään kookkaaseen miehistöalukseen on helppo järjestää riittävä lähetinteho ja antennipinta-ala etäläsnäolon tarvitsemaa laajakaistaista radioyhteyttä varten.

Koska etäohjattavien robottien ei tarvitse täyttää miehitetyn avaruustoiminnan tiukkoja turvallisuusvaatimuksia, niitä voivat rakentaa myös pienet maat pienillä budjeteilla: jos laite ei toimi, kukaan ei kuole. Hankkeen ympärille voisi pystyttää Kansainvälinen geofysiikkavuosi -tyyppisen kansainvälisen Mars-vuoden. Kansainvälisenä Mars-vuonna kaikilla kynnelle kykenevillä toimijoilla olisi Marsissa luotain, jota avaruuslentäjät voivat ohjata kiertoradalta. Toki tavoite olisi että seuraavassa vaiheessa ihmiset laskeutuvat planeetalle, jos Mars-vuoden tutkimusten perusteella päädytään siihen että planeetalla ei ole elämää jota pitäisi suojella Maan mikrobeilta. Toiminnan motiivina kakkosvaiheessa olisi todennäköisesti enemmän seikkailuhenki ja aurinkokunnan asuttaminen kuin tieteellinen tutkimus.

Asteroidiveden käyttö

Laskeudutaan pinnalle tai ei, miehitettyä Mars-matkailua voi helpottaa käyttämällä välitankkauksia. Sähköpurjeilla rahdataan asteroideilta vettä tankkausasemille, joissa siitä tuotetaan vetyä ja happea. Tankkauspisteet voivat sijaita esimerkiksi matalalla Maan kiertoradalla, Maan Lagrangen pisteessä ja Marsin kiertoradalla. Myös planeetan pinnalla tarvitaan tankkausasema, jos halutaan että ihmiset vierailevat sielläkin. Maan matalalta kiertoradalta Lagrangen pisteeseen tarvittava nopeusmuutos on 3.2 km/s, Lagrangen pisteestä matalalle Marsin kiertoradalle 2.5 km/s ja Marsin pinnalta matalalle radalle noin 4 km/s kun ilmanvastus- ja painovoimahäviöt otetaan huomioon. Nämä delta-v-arviot on laskettu käyttämällä ympyrämäisiä ja samassa tasossa olevia Maan ja Marsin ratoja, joten ne ovat likimääräisiä. Tarkat luvut riippuisivat siitä minä vuonna matkalle lähdetään. Vetyä käytettäessä 3.2 km/s nopeusmuutos vastaa sitä että 50% aluksen kokonaismassasta tankkauksen jälkeen on polttoainetta.

Pitkällä matkalla Maasta Marsiin miehistöä pitää suojata säteilyltä. Vesi on tehokas säteilysuojamateriaali, joten säteilysuojana voi toimia rungon sisäinen vesilasti, joka siirretään alukseen Lagrangen pisteen tankkauspaikalla. Aluksen runko voidaan suunnitella kevyeksi, koska rungon itsensä ei tarvitse toimia säteilysuojana eikä rungon tarvitse myöskään tukea raskaan säteilysuojan painoa laukaisutärinän aikana. Tämä suunnitteluperiaate pienentää Maasta laukaistavaa massaa entisestään.

Kuinka paljon energiaa asteroidin jään muuttaminen vedyksi ja hapeksi vaatii? Veden haihduttaminen vie noin 2 MJ/kg. Esimerkiksi 2 kW lämmitysteholla vettä tulee yksi gramma sekunnissa eli 30 tonnia vuodessa. Veden hajottaminen vedyksi ja hapeksi polttoainetehtaassa ja sitä seuraava vedyn nesteytys vaativat noin kymmenkertaisen energianmäärän eli 20 MJ/kg. Jos vettä halutaan tuottaa esimerkiksi 30 tonnia vuodessa, polttoainetehtaalla tarvitaan siis noin 20 kW sähköteho. Tämän tehon tuottava aurinkopaneelisto painaa vain noin 200 kg. 30 tonnin polttoainelasti jo melkein riittää miehitetyn Mars-aluksen yhteen tankkaukseen. Polttoainetuotannon vaatima infrastruktuuri ei siis ole raskasta kalustoa, vaan jo muutamalla tonnilla päästään pitkälle. Vesi voidaan kuljettaa tankkauspaikalle tehokkaasti sähköpurjeilla. Tankkauspisteitä voi olla enemmän kuin yksi samalla radalla, jotta saavutetaan riittävä toimintavarmuus.

Ennemmin tai myöhemmin halutaan tehdä miehitetty lento Marsin pinnalle ja takaisin. Miehistöalus on joka tapauksessa melko painava, joten sellaisen laskeutuminen perinteiseen tyyliin vaatii ison lämpökilven, jonka turvallisen toiminnan varmentaminen etukäteen on hankalaa ja kallista. Jos Marsin kiertoradalla on käytettävissä asteroidiperäistä polttoainetta, laskeutuminen voitaisiin suorittaa yksinkertaisesti tekemällä kiertoradalla voimakas jarrutuspoltto, jonka jälkeen alus putoaa pystysuoraan planeetan pinnalle. Pinnan lähellä jarrutetaan uudestaan ja leijutaan raketeilla haluttuun laskeutumispaikkaan. Lämpösuojausta tarvitaan vain vähän ja laskeutumisen tarkkuus saadaan hyväksi. Tarkka laskeutuminen on tärkeää, jotta miehistö pääsee samaan paikkaan johon on toimitettu etukäteen polttoainetehdas ja muita varusteita. Kustannussyistä rahti on kuljetettu Marsin kiertoradalle sähköpurjeilla ja/tai ionimoottoreilla. Rahdin laskeutuminen voisi tapahtua yllä kuvatulla tavalla kemiallisella poltolla. Avainresurssi siihenkin on Marsin kiertoradan tankkauspiste.

Mikä polttoaine paluuseen Marsin pinnalta?

Miehistöaluksen paluuta varten se täytyy tankata Marsissa. Uusien Curiosityn tulosten mukaan Marsin pintahiekka sisältää 2-3 prosenttia kidevettä jokavapautuu jos aine lämmitetään noin 200-400 asteeseen. Käytännössä paikallisesti saatavat polttoainevaihtoehdot ovat metaani ja happi tai vety ja happi. Molempien tekemiseen tarvitaan vettä, metaanin tuotantoon myös Marsin ilmakehän hiilidioksidia. Vedyn ominaisimpulssi on suurempi ja sen tuottaminen on kemiallisesti yksinkertaisempaa kuin metaanin. Toisaalta tunnetusti nestevetyä on hankalampi käsitellä koska sen säilytyslämpötila (20 K) on matalampi kuin metaanin (110 K) tai hapen (90 K).

Nestevetyä on Marsissa helpompi käsitellä kuin Maassa. Se auttaa hieman että Mars on Maata kylmempi. Mahdollinen vetyvuoto ei aiheuta räjähdysvaaraa Marsin hapettomassa ilmakehässä. Eristämätön nestevetyputki peittyy Marsissa hiilidioksidihuurrekerroksella, mikä muodostaa luonnollisen lämpöeristeen. Maassa käy huonommin: ilmakehän happi ja typpi aluksi jäätyvät ja sitten nesteytyvät putken ympärille. Nestemäinen ilma valuu alaspäin, jolloin tiivistyminen jatkuu eikä lämpövuoto korjaannu itsestään. Pahimmassa tapauksessa nestemäinen ilma saattaa muodostaa lammikon, joka voi myöhemmin kiehuessaan aiheuttaa tulipalon koska viimeiseksi siitä haihtuva kaasu on happi. Neljäs syy on että Marsin matala ilmanpaine tehostaa lämpöeristämistä ylipäätään. Tavallinen lämpöeriste, esimerkiksi polyuretaani, toimii sitä paremmin mitä pienempi on kaasun paine, ääritapauksena on tehokas tyhjiöeriste. Tyhjiön ylläpitämiseen tarvittava jäykkä rakenne on Marsissa sata kertaa kevyempi kuin Maassa, jolloin tyhjiöeriste-elementin massa pienenee ja lämpösillat kapenevat, mikä parantaa eristävyyttä entisestään.

Nestevety näyttäisi siis suhteellisen lupaavalta vaihtoehdolta Marsissa syntetisoitavaksi paluupolttoaineeksi. Koska kyseessä on sama polttoaine jota asteroidivedestäkin saadaan, tämä saattaisi avata mahdollisuuden jopa sellaiselle alustyypille, joka tankkausten avustamana pystyy lentämään Marsin pinnalle ja takaisin miehistö mukanaan. Toisaalta saman aluksen toimiminen kaikissa rooleissa ei ole itsetarkoitus. Perusvaihtoehto varmaankin on että Marsin pinnalla on asemat jotka toimitetaan sinne etukäteen ilman miehistöä ja että edestakainen liikenne Marsin pinnan kiertoradan välillä hoidetaan erillisillä pienemmillä yhteysaluksilla. Joka tapauksessa avaintekniikkana on välitankkaukset koska niiden avulla vapaudutaan rakettiyhtälön eksponentiaalisesta luonteesta.

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.

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.

Heurekassa lennetään sähköpurjeella 13.2 ja 13.3

Näiden ilmaisten yleisöluentojen kantavana voimana on sähköpurje, tervetuloa kuuntelemaan:
http://www.heureka.fi/fi/tapahtumat-heureka-luento-sini-merikallio

                   Sini

Sähköpurje liitelee useammassakin blogissa

Hiljattain julkaistavaksi lähetetty Uranus-artikkeli Arxivessa (http://arxiv.org/abs/1312.6554) on kutkuttanut useampaakin blogistia ja tiedeuutisten laatijaa, esimerkiksi näitä:

Sen - Space Exploration Network

MIT Technology review

21st Century Tech

Centauri Dreams 

ja ovatpa kotimaisetkin mediat olleet tarkkana:
Ilta-sanomat hehkuttaa käänteentekevää tekniikkaa, johon kynäniekkalukija kommentoi:
"Mitä hyötyä käännöksistä on avaruusmatkailussa, jos luotain on käänteen tekevä? Eikö rakettitietteessäkin viisainta olisi matkata perille suorinta reittiä ja mahdollisimman nopeasti?"

Uranuksen valloituksesta on kirjoitettu aiemmin tässäkin blogissa.

                           Sini