Avaruussiirtokunnan valaiseminen

Gerard O'Neill ehdotti 1970-luvulla kilometrien kokoisten pyörivien sylinterimäisten avaruuskaupunkien rakentamista. Ihmiset asuvat sylinterin sisäpinnalla, jossa vallitsee 1 g keinopainovoima, ja sylinterin paksu seinä suojelee säteilyltä. Sylinterit rakennettaisiin asteroidien tai Kuun raaka-aineista. Materiaalin nostamiseksi Kuusta O'Neill ehdotti sähkömagneettista katapulttia. O'Neillin ehdotus sai aikanaan paljon huomiota ja sitä esiteltiin mm. Physics Today -lehdessä. Ehdotuksen nerokkuus on siinä että pyörivä sylinteri on massamielessä miljoona kertaa tehokkaampi tapa tuottaa elintilaa ihmiselle ja luonnolle kuin planeetta: sylinterin seinämän paksuudeksi riittää 10 tonnia neliömetrille (sama kuin Maan ilmakehän paksuus) eli muutaman metrin kivikerrosta vastaava massa, kun taas Maa-planeetalla jalkojemme alla on sulaa kiveä tuhansia kilometrejä. Maan suuren massan ainoa tehtävä on tuottaa riittävä painovoimakenttä, jotta ilmakehä ei karkaa. Pyörivässä sylinterissä sama asia ratkaistaan tekemällä rakenteesta tiivis. Toinen etu on siinä että pyörivässä habitaatissa painovoima voidaan säätää samaksi kuin Maan pinnalla eli samaksi kuin mihin olemme biologisesti sopeutuneet.

Pystyäkseen asumaan avaruudessa koko ikänsä ja voidaakseen hyvin luonto ja ihminen tarvitsevat neljä asiaa: 1) maankaltainen ilmakehä ja yhden ilmakehän paine, 2) maankaltainen säteilysuoja, 3) 1 g keinopainovoima, 4) riittävän iso habitaatti jotta siihen mahtuu toimintavarma suljettu ekosysteemi ja riittävästi ihmisiä jotta esimerkiksi erikoissairaanhoidon palvelut saadaan järjestettyä. Kuu ja Mars eivät toteuta kolmatta ehtoa, mutta O'Neillin sylinteri toteuttaa kaikki neljä.

Gerard O'Neillin sylinteriarkkitehtuurissa oli kuitenkin yksi melko vakava pulma, nimittäin se että auringonvalon heijastamiseksi asuinpinnoille maankaltaisten yö-päiväsyklien aikaansaamiseksi tarvittiin suuria liikkuvia osia. Sylintereitä oli kaksi vierekkäin, ja ne pyörivät eri suuntiin jotta systeemin kokonaisimpulssimomentti olisi nolla. Tällöin pyörimisakseleja on mahdollista pitää koko ajan suunnattuna kohti Aurinkoa.

Löysin tähän ongelmaan mielestäni ratkaisun ja julkaisin sen NSS Space Settlement Journal -lehdessä. Ratkaisussa on yksi sylinteri, jonka pyörimisakseli on kohtisuorassa ratatasoa vastaan. Auringonvalo kerätään rakennelman sisällä olevaan niinsanottuun valokanavaan parabolisten konsentraattoreiden läpi. Valokanava levittää valon melko tasaisesti myös sylinterin pimeälle puolelle. Asuinpinta on jaettu esimerkiksi 20 laaksoon, joiden vuorokaudenajat ovat eri vaiheissa. Kunkin laakson saamaa valomäärää säädetään laakson katossa olevilla sälekaihtimilla. Kun laaksossa on yö, kaihtimet ovat kiinni, jolloin ne heijastavat valon takaisin kanavaan muiden laaksojen hyödynnettäväksi. Kun laaksossa on päivä, kaihtimet ovat osittain tai kokonaan auki. Kokonaan ne ovat auki kun halutaan simuloida kirkkaan keskipäivän valoa. Valokanavan sisällä valo on muutamia kertoja kirkkaampaa kuin auringonvalo; tämä on mahdollista koska valo kerättiin parabolisten konsentraattoreiden läpi. Ratkaisussa ei ole muita liikkuvia osia kuin kunkin laakson katossa olevat paikalliset sälekaihtimet. Kaihtimien huolto on helppoa koska ne ovat lähellä asuinpintaa ja sijaitsevat säteilysuojatussa osassa. Ja jos jostain kohdasta kaihdin on rikki, pahin mitä tapahtuu on että yöllä ei olekaan täysin pimeää tai päivällä näkyy taivaalla tumma täplä, kunnes kaihdin korjataan.

Sähköpurje voisi tehdä asteroidien kaivostoiminnasta taloudellisesti kannattavaa, minkä sovelluksena puolestaan näitä suuria avaruuden siirtokuntia voitaisiin rakentaa.

Valokanavallinen sylinteri halkileikattuna. Katso tarkemmin paperista.

Bridge

UC Davisin puhereissu poiki kutsun kirjoittaa sähköpurjeesta Bridge-nimiseen julkaisuun. Yhdysvaltain insinööriakatemian julkaiseman Bridgen painosmäärä on n. 7000 ja sitä toimitetaan mm. yliopistoihin ja kongressiedustajille.

Nyt tämä sitten tuli ulos - kas tässä!

Hauskana yksityiskohtana kerrottakoon, että yksi artikkelin alkuperäisistä kuvista kohtasi editorien sensuurin liian tunnistettavien bensa-asemamerkkien takia. Julkaisussa ne on siis korvattu tylsillä tekstibokseilla, joten tässä paljon hienompi alkuperäinen kuva:

Sähköpurjekolumni 46

Sähköpurjekolumni 27.3.2018

Miehitetty avaruuslento tuo monille ensiksi mieleen painottomuuden. Keinopainovoimaa olisi kuitenkin hyvä käyttää, sillä oikeastaan kaikki avaruuslentämisen terveyshaitat säteilyä ja psykologisia tekijöitä lukuunottamatta johtuvat painottomuudesta. Kansainvälisellä avaruusasemalla keinopainovoimaa ei käytetty, koska tarkoituksena oli tehdä kokeita painottomuudessa.

Robert Zubrin on ehdottanut että Mars-lennolla miehistömoduuli ja vastapainona toimiva propulsiomoduuli voisivat kiertää toisiaan yhdistettynä muutaman sadan metrin pituisella liealla tai puolijäykällä palkilla.  Tällöin pyörimissäde on riittävän iso laadukkaaseen keinopainovoimaan.  Lieka tai palkki lisää massaa jonkin verran, mutta keinopainovoiman ansiosta miehistö pääsee perille toimintakykyisenä ja terveenä. Massaa voi toisaalta myös säästyä miehstömoduulissa, koska nollapainovoiman vaatimia erikoisjärjestelyjä kuten ankaraa kuntosalitreeniä ei tarvita. Miehitettyä kahden toisiaan kiertävän moduulin systeemiä voisi kokeilla matalalla kiertoradalla. Se olisi tapa saada selville kuinka hyvin tai huonosti ihminen sopeutuisi Marsin kolmasosa- tai Kuun kuudesosapainovoimaan.

Kahdella massalla toteutettu keinopainovoima sopii muutaman hengen Mars-matkaan, mutta koon kasvaessa geometriaa kannattaa muuttaa. Professori Gerard O'Neill opiskelijoineen tutki Princetonin yliopistossa 1970-luvulla kilometrien kokoisia pyöriviä sylintereitä, joiden sisäpinnalla asuu kymmeniä tuhansia ihmisiä. Seinät ovat metrien paksuiset, jotta ne kestävät keskipakoisvoiman sekä sisällä olevan ilmanpaineen ja antavat maankaltaisen säteilysuojan. Rakennusmateriaalit saadaan asteroideilta, ja O'Neill ehdotti auringonvalon heijastamista sisään isoilla peileillä joiden liike matkii vuorokausirytmiä. Nykyään asteroidien materiaalit voisi rahdata sähköpurjealuksilla, ja valaiseminen onnistuisi hajautetusti ilman suurten liikkuvien osien aiheuttamaa luotettavuushuolta.

Sylinterit ovat massamielessä miljoona kertaa tehokkaampi tapa tuottaa elinpinta-alaa kuin planeetat. Maassa jalkojemme alla on tuhansia kilometrejä sulaa kiveä, mutta habitaatin seinäpaksuudeksi riittää muutama metri.  Aurinkokunnassa on paljon planeettaa pienempiä kappaleita, joilta raaka-aineiden nostaminen on helppoa.  Materia riittäisi niin suureen määrään habitaatteja että niiden yhteenlaskettu elinpinta-ala ylittäisi planeettojen pinta-alan moninkertaisesti, jopa monituhatkertaisesti, jos Kuiperin vyöhyke otetaan mukaan. Ja lisäksi on Oortin pilvi, jonka ulko-osat lyövät kättä naapuriaurinkokuntien kanssa.

Habitaatissa on oltava suljettu ekosysteemi, jossa aineet kiertävät täydellisesti. Risteilyalus on esimerkki ympäristöstä, jossa olisi kaupallista motiivia kierrättää aineita nykyistä enemmän, ja samalla - tietoisesti tai ei - harjoitella avaruudessa asumista. Suljetun kierron tekniikoita voidaan soveltaa tietysti myös Maan kaupunkeihin.  Planeetan pinnalla tosin vuodenaikojen ja sään vaihtelu tuo omat lisähaasteensa.

Keinotekoiset vapaan avaruuden sylinterit on ymmärtääkseni todennäköisin tapa, jolla ihminen ja elämä voisivat laajasti levitä Maan ulkopuolelle. Kuten aina elämän tapauksessa, leviämisen motiivina on parempi elämänlaatu ja uusi elintila, eli asiat jotka ihmisyhteisön tapauksessa ilmenevät abstraktimmin talouden kasvuna.

Sähköpurjekolumni 45

Sähköpurjekolumni 30.1.2018

Edellisessä kolumnissa tuli haukuttua ESA:n lyttyyn koska he eivät tutkineet ehdotustamme CDF:ssä vaikka ensin niin sanoivat. CDF on ESA:n Concurrent Design Facility, se on työskentelymenetelmä jossa 10-20 ESA:n insinöörin tiimi suunnittelee avaruusaluksen prototyypin muutaman viikon aikana. CDF:llä on varta varten suunniteltu fyysinen tila ja softaympäristö ESTEC:ssä. Nyt täytyy vetää tylytykset takaisin, koska saamieni tietojen mukaan asteroidikiertoajelun CDF onkin käynnissä juuri tällä hetkellä. En tiedä mistä nämä käännökset johtuvat, tai ehkä kyse on ollut tiedonkulun takkuamisesta. Joka tapauksessa asteroidipullat ovat ESA:n uunissa. Missä kunnossa ne ovat kun pelti vedetään ulos, se jää nähtäväksi.

NASA MSFC (Marshall Space Flight Center, eli Wernher von Braunin aikoinaan johtama iso laboratorio Alabamassa, jossa kuuraketit kehitettiin) on tahollaan saanut valmiiksi sähköpurje-efektin voimakkuusmittauksensa plasmakammiossa.  Ne tulokset jotka näin viittasivat siihen suuntaan että sähköpurje-efekti olisi pikemminkin aiemmin arvioitu isompi kuin pienempi. NASA pyysi minulta kommentteja liittyen koetulosten analysoimiseen, joita annoin. Arvelisin että ellei jotain odottamatonta satu, NASA julkaisee tulokset lähikuukausien aikana.

Tammikuun alusta aloitti Suomen Akatemian rahoittama Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkö, jonka yksi osa sähköpurjetiimi on. Sähköpurje ja plasmajarruhan ovat kestävää avaruustoimintaa parhaimmillaan, koska plasmajarru estää kiertorataromun syntymistä ja sähköpurje on perinteisiin menetelmiin verrattuna todella halpa, nopea ja ympäristöystävällinen tapa päästä aurinkokuntaan. Huippuyksikköä vetää Minna Palmroth Helsingin yliopistosta. Hänen tiiminsä kehittää 6-ulotteista niinsanottua Vlasov-simulaatiomallia avaruusplasmalle ja erityisesti Maan magnetosfäärille. Vahvasti rinnakkaistettu supertietokoneessa pyörivä koodi liittyy lähiavaruuden säteily-ympäristön mallintamiseen. Säteilymallinnuksella on paljonkin tekemistä kestävän kehityksen kanssa, koska jos satelliitin säteilysuojaus on turhan järeä, se kasvattaa massaa joka lisää kustannuksia ja kiertorataromua, jos taas liian heiveröinen, satelliitin elektroniikka voi hajota ennen aikojaan jolloin satelliitti jää romuksi. Huippuyksikössä on lisäksi mukana Aalto-yliopisto rakentamassa cubesatteja sekä Turun yliopisto joka rakentaa pieniä säteilynilmaisimia. Huippuyksikön rahoitukseen kuuluu myös cubesattien laukaisurahaa, mikä on erityisen tervetullutta ja Suomen Akatemian historiassa varmaankin ensimmäinen kerta. Huippuyksikkö jatkuu vähintään 5 ja todennäköisesti 8 vuotta. Tämä rahoituksen pitkäjänteisyys on sekin mukava juttu. Vaikka kuinka yritämme tehdä asioita nopeasti ja kehitämme tekniikoita kuten sähköpurje jotka nopeuttavat matka-aikoja, avaruustoiminta on silti edelleen hitaammin etenevää kuin maanpintasovellusten kehittyminen.

Suomi vuonna 2050

Pekka kutsuttiin 15.12 Iltasanomien järjestämään tulevaisuuspaneeliin keskustelemaan avaruustutkimuksen tulevaisuudesta Esko Valtaojan kanssa: "Avaruustutkimuksen kiehtovista näkymistä kertovat Ilmatieteen laitoksen tutkimuspäällikkö Pekka Janhunen ja avaruustähtitieteen professori emeritus Esko Valtaoja. Keskustelun teemana on muun muassa planeettatutkimus: löytyykö aurinkokunnasta lähivuosikymmeninä elämää? Milloin ihminen astuu Marsin pinnalle?"

Tallenne tilaisuudesta löytyy kokonaisuudessaan tästä linkistä. Pekan ja Eskon osuus löytyy videon keskivaiheilta, kannattaa katsoa!

Samaan aikaan Iltasanomat julkaisi "Suomi 2050" erikoisliitteen, jossa sähköpurje on komeasti esillä useamman aukeaman voimin! 

Grafiikan sähköpurjeyhteys on hieman mystinen - ilmeisesti tulevaisuudessa lääkärit hoitavat avaruusautojen korjaukset. :-)

Szamesin upea sähköpurjekuvaus on jälleen hienosti esillä lähes aukeaman kokoisena.

Suomi 100 ja 100 innovaatiota Suomesta

Suomi täyttää kohta 100 vuotta, sen kunniaksi tämä sähköpurjeblogin sadas päivitys myös vahvasti Suomi 100 hengessä! Juhlavuoden kunniaksi sadasta suomalaisesta innovaatiosta kertova Ilkka Taipaleen toimittama kirja päätettiin kääntää viroksi! Käännöksen puuhamiehenä toimi entinen Viron Suomen suurlähettiläs Mart Tarmak, joka halusi mukaan ehdottomasti myös sähköpurjeen, onhan sillä vahvoja yhteyksiä Eestiin ESTCube satelliittien hyötykuormien kehittelytyön ja myöhemmin tutkijavierailuiden kautta. Kirja "100 Soome Innovatsiooni" julkaistiin 29.11. Sen sivuilta löytyvät niin Joulupukki, sauna, jokamiehen oikeudet, kuin Linuxkin - tälle siis lukusuositus, mikäli vain kieli taipuu viroonkin!

Tai Suomen Tallinnan suurlähetystön sanoin:
"Mis on ühist nõudekuivatuskapil ja sünnitoetuspakil? Need on Soome innovatsioonid. Soome sajandaks sünnipäevaks on tehtud eestikeelne väljaanne Ilkka Taipaleni koostatud raamatust. Selle tõlkijaid on sada, nad on eri elualadelt ning kõigil on Soome ja tõgituga mingi seos. Talgutööle osales mh Eiki Nestor, Mart Meri, Matti Maasikas, Rein Veidemann, Siim Kallas, Barbi Pilvre, Taavi Rõivas, Henrik Hololei. Eesti poolt talgutöö korraldas endine Eesti Helsingi suursaadik Mart Tarmak."

100 Soome innovatsiooni - kirjoja suoraan painosta!

Mart Tarmak, entinen Viron Suomen suurlähettiläs Mart Tarmak käänsi sähköpurjetta koskevan luvun suomesta viroksi. Kuva: Viron Suomen suurlähetystö

Kirja tuntuu käteen hienolta - kannen kuvituksessa on valoista ideaa!

Molotovin cocktailista heti seuraavana: sähköpurje!

Elektriline päikesetuulepuri

Insinööriyden rajoilla: EU-US Frontiers of Engineering

Sain ilokseni kutsun mennä kertomaan sähköpurjeesta Yhdysvaltain tiedeakatemian järjestämään tilaisuuteen, joka keräsi yhteen huippuinsinöörejä ja tiedemiehiä Euroopasta ja USAsta. Konferenssi järjestettiin UC Davisin kampuksella 16.-18.11.2017 ja osallistujaluettelo oli varsin mainio: edustettuina olivat muun muassa niin NASA, Space X, kuin Virgin Orbitkin, joten niin tauko- kuin illalliskeskustelutkin olivat varsin hyviä! Tässä hieman kuvia tästä upeasta reissusta!

UC Davisin insinööriopintojen rehtorilla Jennifer Curtisilla on hyppysissään varsin edistyksellinen opinahjo, jossa oli mahtavaa vierailla! Kävin heti ensimmäisellä tauolla ostamassa nurkan takaa matkamuistomyymälästä UC Davisin urheilujoukkueen kannatuslippiksen. Go Aggies!!!

Konferenssin osallistujat yhteiskuvassa. Edustettuina avaruusteknologioiden ja aurinkopaneeleiden lisäksi olivat myös kuvantamistekniikat ja neuroengineering.

Aiheluettolen alkua - sähköpurjepuhe pääsi aloittamaan koko konferenssin heti rehtoreiden ja järjestäjien tervetuliaissanojen jälkeen. Tämä osoittautui todella hyväksi paikaksi, sillä lähes joka tauolla sain vastailla yhä uusiin sähköpurjeteknologiaa koskeviin kysymyksiin. Ohjelma löytyy kokonaisuudessaan täältä.

 UC Davisin kampus oli todella hieno ja sinne oli kerätty erilaisia upeita puita eripuolelta maailmaa.

UC Kampuksen raittia

Kampuksen tutustumiskierroksen oppaamme oli aivan loistava!

Sydän se on insinöörilläkin, ainakin 3D printattuna! Vierailu koulun kone- ja tuunailupajaan oli varsin mukava - opiskelijoilla on loistavat olosuhteet koneistuksen ja kaikenlaisen rakentelun opetteluun, sekä harrastukseen.

UC Davisissa voi opiskella mm. viinin viljelemistä ja tekemistä. Vierailimme heidän viinilabrassaan ja kävimme maistamassa rypäleiden laadun suoraan puskista. Vaikka viinikurssi onkin yksi yliopiston suosituimmista, häviää se silti suosiossa kahvikurssille, jolle osallistuu tuhansia opiskelijoita vuosittain!

Kaliforniassa asuu villiaasipopulaatio, jolle ei kuitenkaan kuivassa luonnossa riitä tarpeeksi syötävää. Aaseja sitten pyydystetään ja eläinlääkisopiskelijat voivat ottaa itselleen aasista kesytysprojektin. Kesytetyt ja käsittelyyn totuttautuneet aasit adoptoidaan omiin uusiin koteihinsa nimellisellä 125 dollarin hinnalla. Paikallinen kandikollega Laura esitteli minulle oman kesytysprojektinsa ja kertoi, kuinka kuvassa näkyvät pitkäkorvat olivat kolmessa päivässä muuttuneet paniikissa ihmistä pakenevista pelokkaista otuksista kosketusta sietäviksi, vaikka toki vielä aroiksi, kotiaasinaluiksi.

Myös Davisin kampuksen lihanaudoilla oli varsin mukavat olot isossa yhteistarhassa. Niiden elämä päättyy kampuksen omalla teurastamolla ja lihaa saa ostaa viereisestä kampuspuodista.

Pitihän se maailman parhaaksi rankattu eläinlääkiskin käydä katsastamassa. Siinä se on: UC Davisin opetuseläinsairaala!

Poislentäessä ihmetystä herättivät lukuisat tulvivat pellot Sacramenton ympäristössä. Ilmeisesti osa on riisinviljelyn takia veden peitossa, mutta kovasateisten jaksojen aikana peltoja käytetään varaventtiileinä jokien ja asuinalueiden tulvimista estämään.