Sähköinen aurinkotuulipurje - uusi tapa liikkua avaruudessa

Tämä juttu on julkaistu Avaruusluotaimessa 4/2006 ja sen taitettu PDF versio on ladattavissa Suomen Avaruustutkimusseuran sivuilta.

Suur-Helsingin kokoinen avaruusalus joka painaa parisataa kiloa ja lentää 50 km/s ilman moottoreita  aurinkotuulen työntämänä? Näin esitettynä ajatus voi tuntua järjettömältä. Mutta itse asiassa aluksen rakentaminen ei välttämättä ole teknisesti kovin hankalaa. Takana oleva fysikaalinen idea on uusi ja kehitetty Suomessa.

Menetelmässä käytetään pitkiä metallilankoja, jotka pidetään positiivisessa potentiaalissa ympäröivään aurinkotuuliplasmaan nähden aluksessa olevan elektronitykin avulla. Lankojen pitää olla pitkiä, vähintään 10 kilometriä, ja niitä tarvitaan noin sata jotta aurinkotuulen vieno puhuri jaksaisi työntää alusta merkittävästi. Lankojen pitää olla myös hyvin ohuita, vain 20 mikrometrin paksuisia, jotta ne eivät painaisi liikaa.

Selvitetään heti yksi asia. Niinsanottu aurinkopurje ei käytä aurinkotuulta, vaan Auringon säteilypainetta, joka on noin 5000 kertaa vahvempi kuin aurinkotuulen dynaaminen paine. Usein julkisuudessa asiat sekoavat ja annetaan ymmärtää että aurinkopurje käyttäisi aurinkotuulta, mitä se siis ei tee. Toisin sanoen tämä uusi keksintö eli sähköinen purje tekee sitä mitä joskus  erehdyksessä luullaan aurinkopurjeen tekevän ...

Miksi kannattaisi käyttää aurinkotuulta, jos kerran säteilypaine on 5000 kertaa voimakkaampi? Idea on siinä että varattujen lankojen ympärille muodostuva sähkökenttä ulottuu kymmenien metrien päähän langoista, jolloin aurinkotuuli "näkee" langat paljon paksumpina kuin ne fyysisesti ovat. Ohut lanka painaa äärimmäisen vähän metriä kohti ja on sitäpaitsi teknisesti helpompi käsitellä kuin tavallisessa aurinkopurjeessa tarvittava repeytymiselle altis purjekalvo. Lankojen ohuudesta johtuu myös, että niihin saapuva elektronivirta on niin heikko, että se voidaan kompensoida pienehköllä noin kilowatin tehoisella elektronitykillä, joka saa energiansa tavallisista aurinkopaneeleista. Toimiva tapa virittää langat on laittaa alus pyörimään ja rullata langat hitaasti auki säilytyskeloiltaan, jolloin keskipakoisvoima pitää ne tiukalla ja estää niitä sekoittumasta. Myös säätäminen ja ohjaaminen onnistuvat kyseisellä konstruktiolla.

Aurinkotuulen voima osoittaa aina poispäin Auringosta, joten luonnollisin tapa käyttää sähköpurjetta on lentää ulos aurinkokunnasta tai suorittaa jonkin kaukaisen kohteen ohilento. Kallistamalla purje vinoon sen avulla voi kuitenkin myös luovia sisäänpäin kohti Aurinkoa. Kerran rakennetun purjeen työntövoima ei maksa mitään, joten sillä voi myös leijua paikoillaan, siis esimerkiksi Maan ja Auringon välissä jossain muualla kuin Lagrangen pisteessä, millä voisi olla mielenkiintoisia sovelluksia avaruussään ennustamisen kannalta. Kaikkien mielenkiintoisinta on kuitenkin, että jos tekniikka onnistutaan kehittämään loppuun saakka, sillä voidaan periaatteessa saavuttaa hyvin suuria loppunopeuksia, jopa 50-100 km/s eli 10-20 au:ta vuodessa. Sillä vauhdilla matka Plutoon taittuisi 2-4 vuodessa. Pysähtyä ei tietenkään voisi. Hyötykuormat eivät voi olla kovin suuria, ehkä 50-100 kg on maksimi jos halutaan suuria loppunopeuksia. Miniatyrisoinnin takia tähän massaan voidaan kuitenkin jo nyt, ja tulevaisuudessa vielä enemmän, pakata merkittäviäkin tieteellisiä instrumentteja. Kaupallisina sovelluksina voidaan mainita vanha ajatus hakea asteroidien raaka-aineita korkealle Maan kiertoradalle, jolloin niistä voitaisiin valmistaa esim. rakettipolttoainetta halvemmalla kuin Maasta laukaisemalla. Kevyt, noin 100 kilon painoinen sähköpurjealus voisi periaatteessa siirtää useiden tonnien painoisen kuorman esim. asteroidilta korkealle Maan kiertoradalle, jos aikaa annetaan muutama vuosi.

Sähköinen purje on vasta alle vuoden ikäinen keksintö, emmekä vielä tiedä tuleeko se täyttämään antamiaan lupauksia suurista nopeuksista ja entistä halvemmista missioista. Sen tulee aika näyttämään, mutta aikaa odotellessa voit vaikka katsella sähköpurjeanimaatiota, (joka oli myös Suomen Avaruustutkimusseuran jäsenlehden, Avaruusluotaimen, numeron 4/2006 mukana tulleella liiterompulla.)

 
Tyypillisiä sähköpurjeen parametreja, joita usein käytetään suunnittelun lähtökohtana:

Luokitus propulsiomenetelmänä: Ajoaineeton propulsio (purje)

Lankojen lukumäärä: 100

Yksittäisen langan pituus: 20 km

Pyörähdysaika: 12 min

Yksittäisen säikeen paksuus: 20 um

Säikeiden lukumäärä: 4 (oltava >1 mikrometeorien takia)

Langan jännite: 20 kV

Elektronitykin maksimiteho: 500 W

Maksimi elektronivirta: 25 mA

Keskimääräinen aurinkotuulen dynaaminen paine (1 AU): 2 nPa

Keskimääräinen aurinkotuulen lankasegmenttiin kohdistava voima (1 AU): 50 nN/m

Keskimääräinen työntövoima (1 AU): 0.1 N

Sähköpurjesysteemin massa (langat, aurinkopaneelit ja elektronitykki): 100 kg

Keskimääräinen kiihtyvyys (1 AU): 0.5-1 mm/s^2

Lankojen avaamiseen kuluva aika: 3 viikkoa

Lankojen avaamisnopeus: 0.5 cm/s

Tarvittava impulssimomentti: 2 x 10^7 kg m^2/s

Impulssimomentin lähde: Tavallinen propulsio tai pumppausmenetelmällä aurinkotuulesta

Ohjaus: Säätövastuksilla ja lankapituuksien hienosäädöllä

Ohjattavuus: Verrattavissa tavalliseen purjehdukseen

Käyttöympäristö: Planeettojen magnetosfäärien ulkopuolella, heliosfäärin sisällä

Säädettävyys: Työntövoima täysin säädettävissä sähköisesti, voimavektorin suunta +-20 astetta radiaalisuunnasta