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.

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

Fermin paradoksi

Avaruusluotaimen kuvitusta, Evoluutio by Esko Heikkilä

Jatkopohdintoja Avaruusluotaimessa 3/2008 olleeseen Saara Reimanin filosofia-artikkeliin Fermin paradoksista, eli miksi Maan ulkopuolinen maailmankaikkeus vaikuttaa elottomalta vaikka Maa ja aurinkokunta muuten tuntuu olevan melko tavallinen paikka.

Saara Reiman pohti mm. kysymystä millä todennäköisyydellä esitumallinen (prokaryoottinen) elämä voi kehittyä ajan mittaan ihmisen tapaiseksi ajattelevaksi ja teknologiseksi elämäksi. Välissähän on monta askelta: esitumallisesta aitotumallinen, aitotumallisesta monisoluinen eläin, eläimestä poikasiaan hoitava nisäkäs, nisäkkäästä aivoja tarvitseva kiipeilevä kädellinen, kädellisestä savannilla kävelevä ihminen, ihmisestä maanviljelijä, maanviljelijästä insinööri.

Tarvitaan tosiaankin monta askelta ennen kuin bakteerista syntyy älykäs olento. Kuitenkin olisin valmis väittämään että kyseessä saattaa sittenkin olla luonnollinen tapahtumasarja, jonka mikään askel ei ole erityisen epätodennäköinen.

Tarkastellaan monisoluisen elämän syntymistä yksisoluisesta. Miksi monisoluinen elämä ilmaantui yhtäkkiä noin 650 miljoonaa vuotta sitten? Onko tälle kambrikauden räjähdyksenä tunnetulle tapahtumalle helppoja, luonnollisia selityksiä?

Avaruusluotaimen kuvitusta, Evoluutio by Esko Heikkilä

Tähdet kirkastuvat vanhetessaan ja niin tekee myös Aurinko, jonka valo voimistuu noin prosentin sadassa miljoonassa vuodessa. Kirkastuminen pyrkii lämmittämään maapalloa, mutta koska ilmakehän hiilidioksidia karbonoituu tulivuorista purkautuneisiin silikaattikiviin sitä nopeammin mitä kosteampaa ja kuumempaa on, päiväntasaajaseudun lämpötila pyrkii pysymään vakiona. Tämä noin 30 vuotta sitten keksitty termostaattimekanismi toimii noin miljoona vuotta ja sitä pitemmissä ajanjaksoissa. Esimerkiksi 1-2 miljardia vuotta sitten aurinko oli 10-20 % nykyistä himmeämpi, päiväntasaaja suunnilleen yhtä lämmin kuin nykyään, mutta hiilidioksidin ja mahdollisesti metaanin aiheuttama kasvihuoneilmiö paljon nykyistä vahvempi. Napa-alueetkin olivat kasvihuoneilmiön takia jäättömiä ja ilmasto kaikkiaan nykyistä tasaisempi. Paradoksaalista kyllä, himmeämmän auringon aikana keskilämpötila oli siis nykyistä korkeampi. Ympäristö ylläpiti yksisoluista elämää, mutta ei tasaisuutensa takia suosinut sen eriytymistä eikä runsastumista, koska meret olivat lämpötilakerrostuneita ja siksi pintaosiltaan ravinneköyhiä. Tilanne muuttui noin miljardi vuotta sitten. Tällöin kasvihuoneilmiö oli heikentynyt riittävästi jotta napajäätiköt ja arktinen merijää saattoivat muodostua. Kylmät meret ovat ravinteikkaita, koska liki tasalämpöinen, nolla-asteinen vesi sekoittuu herkästi pystysuunnassa lämpötilaerojen puuttuessa. Nykyäänkin arktiset merialueet ovat runsastuottoisia, kuten kalastajat ja valaanpyytäjät tietävät. Ravinteisuuden takia planktonlevien kasvu tehostui ja ne tuottivat ilmakehään happea sitä mukaa kun levien sitomaa orgaanista hiiltä hautautui meren pohjaan. Aluksi happi sitoutui kivilajeihin, mutta kun tämä puskuri oli käytetty, lopulta noin 700 miljoonaa vuotta sitten ylijäämähappea alkoi kertyä ilmakehään. Tämän jälkeen vain noin 30 miljoonan vuoden viiveellä ensimmäiset monisoluiset eliöt ilmestyivät meriin.

Yksinkertainen monisoluinen eliö on pelkkä soluterttu, joka hengittää diffuusion avulla ja pystyy siksi kilpailemaan yksisoluisia eliöitä vastaan vain runsashappisessa ympäristössä. Kerran synnyttyään monisoluiset eliöt pystyivät kuitenkin kehittämään mm. verenkierron, jonka avulla ne selviytyvät muuallakin. Ne oppivat myös liikkumaan ja alkoivat myllätä meren pohjassa sekoittaen pohjasedimenttiä ja nopeuttaen sen biologista hajoamista. Tämä vähensi hiilen hautautumista ja nosti ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta jonkin verran, mikä teki ilmastosta nykyisen kaltaisen. Lämmennyt ilmasto saattoi hieman vähentää ilmakehän ja varsinkin merien pintaosien happipitoisuutta, mutta tällä ei ollut enää monisoluisten eliöiden kannalta ratkaisevaa merkitystä, koska ne olivat jo oppineet selviytymään monenlaisissa oloissa yksisoluisiin eliöihin nähden monessa mielessä ylivoimaisten kykyjensä turvin. Näin oli päädytty tylsästä, tasaisen lämpimästä ja yksisoluisten eliöiden asuttamasta planeetasta kylmien välivaiheiden kautta nykyisenkaltaiseen hapekkaaseen maailmaan, jota hallitsevat monisoluisen eliöt. Prosessi oli monivaiheinen, mutta sen tahdin määräsi yksinkertainen fysikaalinen ilmiö eli keskustähden kirkastuminen.

Monisoluinen elämä siis näytti syntyneen heti kun tietty välttämätön ehto (riittävä happipitoisuus) täyttyi, eli välttämätön ehto näytti olleen myös riittävä. Riittävä happipitoisuus puolestaan syntyi kun happea tuottavat levät olivat eläneet riittävän pitkään ja riittävän runsaina. Levien kasvua puolestaan oli edesauttanut napa-alueiden ilmaston kylmeneminen joka hieman paradoksaalisesti oli johtunut Auringon luonnollisesta kirkastumisesta. Jään ja lumen valkoisuus vahvisti kylmenemistä siten että neoproterotsooisena aikana 700-900 miljoonaa vuotta sitten, riippuen mannerten kulloisestakin asennosta, jäätiköt saattoivat ajoittain ulottua jopa kääntöpiireille asti tai vieläkin alemmas.

Kun keskustähti kirkastuu, hiilidioksidin ja silikaattikivien termostaatti siis huolehtii siitä että kasvihuoneilmiö vähenee ja napa-alueet viilenevät. Toisaalta sitten kun kirkastuminen on edennyt riittävän pitkälle, hiilidioksidin aiheuttama kasvihuoneilmiö menettää merkityksensä ja planeetta napa-alueineen alkaa lämmetä. Olemme juuri nyt lähellä taitekohtaa jossa kokonaisvaltainen lämpeneminen on alkamassa (tässä "lähellä" tarkoittaa vähemmän kuin suunnilleen sadan miljoonan vuoden päässä suuntaan tai toiseen). Ilman jonkin teknologisen lajin puuttumista asiaan, ehkä noin puolen miljardin vuoden kuluttua maapallo on lämmennyt niin paljon että monisoluisilla eläimillä alkaa olla tukalaa.

Liian kuumassa on tukalaa. Piirros: Esko, 'Eksa', Heikkilä

Ihminen siis ilmestyi maapallolle noin 650 miljoonan vuoden kuluttua monisoluisen elämän syntymisestä, ja monisoluisilla eläimillä on vielä suunnilleen toinen mokoma aikaa ennen kuin kirkastuva aurinko tekee planeetasta niille liian kuuman. Teknologinen laji – ihminen - ei siis syntynyt viime hetkellä, vaan suunnilleen puolessa välissä sopivaa aikaikkunaa eli monisoluisten eläinten aikaa, joka puolestaan näytti alkaneen auringon kirkastumisen tahdittamana. Tämä on olennainen tieto arvioitaessa älyn kehityksen todennäköisyyttä. Jos asteroidi ei olisi tuhonnut dinosauruksia ja raivannut tilaa nisäkkäille, kädelliset ja ihminen eivät olisi syntyneet, mutta luonnolla olisi ollut aikaa yrittää muita reittejä noin kymmenkertaisesti se aika joka kului nisäkkäiden noususta (65 miljoonaa vuotta sitten) ihmisen syntyyn. On esitetty että Intian törmääminen Aasian mantereeseen ja tehokkaasti yhteyttävien piilevien synty monimutkaisten mekanismien kautta aiheuttivat nykyiset jääkaudet ja saivat ehkä ihmisen esi-isät siirtymään harvenneista metsistä savannille kävelemään. Mutta taaskin, jääkaudet eivät ole kovin harvinaisia ja niitä oli ollut aiemminkin, ja aikaa olisi luultavasti ollut jäljellä vielä paljon muiden reittien kokeilemiseen.

Mitä lähemmäs nykyaikaa tulemme, sitä lyhyemmistä ajanjaksoista puhumme. Ihmislaji syntyi noin 100,000 vuotta sitten ja tyypillisen nisäkäslajin elinaika joitakin miljoonia vuosia. Maanviljelyskulttuuri syntyi noin 10,000 vuotta sitten eli 90,000 vuotta lajin syntymisen jälkeen. Kulttuuri ja yhteiskunta syntyivät siis paljon nopeammin kuin kädellislajin tyypillinen jäljellä oleva elinaika. Avaruustekniikka syntyi 10,000 vuotta kulttuurin synnyn jälkeen, mikä on lyhyt aika verrattuna verrattuna mihin tahansa muuhun. Kaikilla tai ainakin useimmilla tasoilla näyttäisi tulevan sama tulos: viimeinen hetki ei ollut lähellä lyödä, aikaa löytää muita ratkaisuja olisi ollut moninkertaisesti siihen nähden mitä luonto tarvitsi tuottaakseen ihmisen kulttuureineen. Mutta näitä aikalisiä ei tarvittu, koska kulttuuri-ihmiseen johtanut kehityspolku oli jo toteutunut.

Jos tämä tuntuu turhan ihmiskeskeiseltä (evoluutiohan etenee periaatteessa ”sokeasti” ilman päämäärää), on syytä huomauttaa että samassa mielessä kuin Suomen turvallisuuspolitiikan haasteet ehkä ovat Venäjä, Venäjä ja Venäjä, nykyään biosfäärin tärkeimmät turvallisuuspoliittiset kysymykset liittyvät ihmiseen, ihmiseen ja ihmiseen. Ihminen on tärkeä koko planeetalle, ei vain ihmiselle itselleen. Kulttuuri-ihmisen synty oli valtava, äkillinen ja raju tapahtuma, johon sisältyy elämän kehityksen kannalta suunnattomia uhkia ja mahdollisuuksia. Kuka olisi vain miljoona vuotta sitten voinut aavistaa, että savannin ruohosta nousee suuri metsästäjä, jonka pojat haluavat kokea kaiken, oppia kaiken, rakentaa kaiken ja tallentaa kaiken jälkipolville. Eivätkä vain halua, vaan tekevät myös, flight-proven, TRL-tasolla seitsemän, im siebenten Himmel der Technologie. Vain ihminen voi poistaa Damokleen miekat eli tappaja-asteroidit elämän yltä. Ihminen saattaa rötöstellä, mutta positiivisten mahdollisuuksiensa takia saa myös paljon anteeksi. Dramaattisuudessaan kulttuuri-ihmisen synty on verrattavissa vain itse elämän syntyyn ja ehkä edellä mainittuun kambrikauden räjähdykseen eli monisoluisten eliöiden nousuun.

Tämän valossa näyttäisi mahdolliselta, että polku bakteerista kulttuuriolentoon saattaa olla monipolvisuudestaan huolimatta melko todennäköinen. Sen sijaan elämän synty itsessään on edelleen arvoitus. Yksinkertaisinkin esitumallinen eliö on niin monimutkainen, että sen syntyminen molekyylien sattumanvaraisen kombinaation kautta ilman kehityspolkua on äärettömän epätodennäköistä. Meillä on vain epäsuoria viitteitä siitä millaiset yksinkertaisemmat kantamuodot olivat saattaneet edeltää tuntemiamme yksinkertaisimpia esitumallisia soluja. Tämä oletettu kantamuotojen ketju on kaiketi kokonaan hävinnyt, todennäköisesti siksi että kantamuodot ovat kerta kaikkiaan hävinneet kilpailun nykyisille arkkieliöille ja bakteereille jotka ovat tunkeutuneet biosfäärin joka kolkkaan. Hävinnyt kantamuotojen ketju saattaa olla hyvin pitkä, sillä monimutkaisuudella mitattuna esitumallinen bakteeri on paljon lähempänä ihmistä kuin elotonta molekyyliä.

Kuvitus: Esko Heikkilä

Elämää oli maapallolla pian sen jälkeen kun planeetta oli syntynyt. Eikö tämän pitäisi merkitä sitä että myös elämän synty, vaikkemme sen yksityiskohtia tunnekaan, oli myös "helppo" tapahtuma? Ei välttämättä, sillä nuori planeetta kävi läpi kaikenlaisia kehitysvaiheita heti syntymänsä jälkeen. Koska emme tunne yksityiskohtia, emme tiedä miten tärkeitä nämä vaiheet olivat elämän synnylle. Jos ne olivat tärkeitä, elämä ei ehkä olisi voinut enää syntyä vanhemmalle planeetalle. Tilanne on loogisesti erilainen kuin esimerkiksi kambrikauden räjähdyksen yhteydessä, sillä siinä kriittinen parametri eli happipitoisuus säilyi korkeana jatkossakin.

Luotainten avulla voimme löytää muualla aurinkokunnassa lymyilevää elämää.
Piirros: Esko Heikkilä

Saara Reimanin kirjoitus loppuu toteamukseen jonka mukaan empiirisellä tutkimuksella on Fermin paradoksin selvittämisessä olennainen osa. Olen samaa mieltä. Erityisesti voimme päästä eteenpäin etsimällä elämää, vaikka kuinka yksinkertaistakin, luotainten avulla aurinkokunnasta sekä spektroskooppisilla ja muilla tähtitieteellisillä menetelmillä eksoplaneetoilta (luotainten lähettämistä muihin aurinkokuntiin saadaan vielä odottaa tovi). Vaikka miten yksinkertaisenkin elämän löytyminen osoittaisi että elämä ei ole tavattoman harvinaista, ja edellisen päättelyketjun nojalla silloin älykästäkin elämää voisi odottaa esiintyvän muuallakin. Jos taas elämää ei näillä menetelmillä löydy, eksoplaneettoja tutkimalla ehkä oivallamme selkeitä syitä niiden elottomuuteen, joita tulevaisuuden teoreetikot kenties kykenevät ekstrapoloimaan eteenpäin.

Pekka Janhunen