Sähköpurje-efektin mittaukset NASA MSFC:ssä alkavat

NASA Marshall Space Flight Center on nyt rakentanut plasmakammiokoejärjestelyt valmiiksi, tavoitteena mitata sähköpurje-efekti plasmakammiossa. Asiasta kertoo tarkemmin NASA:n lehdistötiedote. Kammiossa virtaava plasma vastaa tiheydeltään ja nopeudeltaan suunnilleen matalaa Maan kiertorataa (low Earth orbit, LEO), ei aurinkotuulta, koska aurinkotuulen simulointiin Maan päällä tarvittaisiin satojen metrien kokoinen kammio.

NASA MSFC:n sähköpurjetestissä käytettävä plasmakammio avattuna.

Työ on osa NIAC:n (NASA Innovative and Advanced Concepts) rahoittamaa hanketta jonka ensimmäinen vaihe päättyi viime vuonna ja nyt ollaan kakkosvaiheessa jonka tärkeän osan muodostaa plasmakammiokoe.

NASA MSFC:n Bruce Wiegmann, alabamalainen sähköpurjemies, pitelee HERTS2-projektin lankoja käsissään.

Sähköpurjekolumni 38

Sähköpurjekolumni 23.3.2016

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

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

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

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

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

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

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

Sähköpurjekolumni 37

Sähköpurjekolumni 27.1.2016

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

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

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

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