maanantai 14. kesäkuuta 2010

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 3: Lento ulos aurinkokunnasta



Sarjan aiemmissa osissa käsiteltiin plasmajarrua avaruusromun torjumiseen sekä maailman pelastamista poikkeuttamalla uhkaava asteroidi pois Maan reitiltä. Nyt esitellään IHP-luotainehdotus (Interstellar Heliopause Probe), jossa lennetään ulos aurinkokunnasta suurella nopeudella tutkimaan heliosfäärin ulkopuolella olevaa tähtienvälistä avaruutta, jonne asti aurinkotuuli ei ulotu. Siellä vastaan tuleva kaasu, plasma, kosminen säteily, magneettikenttä ja pöly ovat se varsinainen iso avaruus, Linnunradan avomeri, jossa aurinkokunnallamme on paljon tilaa vaeltaa pitkää ja yksinäistä reittiään.

Lento ulos aurinkokunnasta suurella nopeudella on se sovellus, jota varten sähköpurje alunperin kehitettiin. Jotta heliosfäärin rajan läpi (noin 200 AU:ta) päästäisiin järkevässä ajassa, pitää luotaimen loppunopeuden olla vähintään 50 km/s eli 10 AU:ta vuodessa. Näin hurjan vauhdin saavuttaminen perinteisillä keinoilla on vaikeaa. Voyager-1 viilettää 16 km/s, mikä saavutettiin koska jättiläisplaneetat sattuivat 1970-luvun lopulla olemaan samalla puolella Aurinkoa jolloin  niiden lähiohituksia voitiin käyttää nopeuden kasvattamiseen. Yksi tapa saavuttaa suurehko loppunopeus on pudottautua kohti Aurinkoa ja tehdä rakettipoltto radan lähimmässä pisteessä. Tällöin luotaimen kokonaisenergia kasvaa huomattavasti, koska liike-energia on verrannollinen nopeuden neliöön ja lähimmässä pisteessä nopeus on Auringon vetovoiman takia jo alun perin suuri. Jotta menetelmä olisi tehokas, pitää kuitenkin mennä hyvin lähelle Aurinkoa ja rakettipolton on oltava voimakas. Auringon läheisyys vaatii lämpösuojan, mikä pienentää hyötykuormaa, ja parhaat kemialliset rakettipolttoaineet ovat valitettavan herkkiä lämmölle. Auringon lähelle pääsemiseksi joudutaan ensin tekemään useita sisäplaneettojen lähiohituksia, mihin kuluu aikaa.
Voyagerit ottivat matkalla vauhtia jättiläisplaneetoilta. Kuva: Wikipedia

Pitkä kiihdytys ydinreaktorista tehonsa saavalla ionimoottorilla olisi toinen tapa päästä suureen loppunopeuteen. Jotta ajoaine riittäisi pitkään, ionimoottorin ominaisimpulssin on oltava hyvin suuri, joten moottori tarvitsee paljon sähkötehoa tuottamaansa työntövoimayksikköä kohti. Ydinreaktorin teho-painosuhde ei ole kovin hyvä, koska avaruudessa ainoa tapa säteillä ulos lämpövoimakoneen hukkalämpöä on lauhdutin. Lauhdutin ei voi olla kevyt, koska sen pinta-alan on oltava iso ja seinämien riittävän paksut jottei jäähdytysneste vuotaisi ulos meteoroidin tekemästä reiästä. Luotaimen massaa kasvattaa myös neutronisuojaseinä, joka tarvitaan reaktorin ja luotaimen elektroniikan välissä. Pyörivän turbiinigeneraattorin laakeroinnin luotettavuus pitkällä lennolla on kyseenalainen. Matka-aikaa pidentää se että kiihtyvyys on alussa pieni ja kasvaa vasta kun ionimoottorin ajoainetankki alkaa tyhjentyä. Hitaan alun takia keskinopeus matkalla 200 AU:n päähän jää matalammaksi kuin mitä loppunopeudesta voisi päätellä.

Aurinkopurje eli valopurje olisi kolmas mahdollisuus. Vuonna 2007 ESA:n CosmicVision -ohjelmaan jätetty IHP-luotainehdotus (Interstellar Heliopause Probe) sisälsi 300-metrisen aurinkopurjeen ja luotaimen kokonaismassa oli 500 kg, josta noin puolet oli aurinkopurjetta. 300-metrinen purje on aivan liian iso maan päällä avattavaksi, joten sen avausmekanismin toimivuudesta avaruudessa olisi vaikea varmistua ennen luotaimen laukaisemista.

Sähköpurjeen valttina on aurinkopurjetta suurempi teho ja parempi testattavuus. Liean kelautuminen ulos rullalta voidaan testata maan päällä tyhjiökammiossa antamalla painovoiman simuloida keskipakoisvoimaa. Kuten ei aurinkopurjetta, täysikokoista sähköpurjettakaan ei toki voida avata maassa, mutta sähköpurjeen avaaminen ja lento voidaan mallintaa melko hyvin, koska yksiulotteisten liekojen liikkuminen on helpompi mallintaa kuin valopurjeen kaksiulotteinen kalvo, joka on alussa pakattu kanisteriin taiteltuna monelle mutkalle.

Sähköpurjeella IHP-luotain voitaisiin toteuttaa esimerkiksi seuraavasti. Käytetään 60 liekaa joista kukin on 33 km pitkä. Luotaimen kokonaismassa on 170 kg, josta 70 kg on sähköpurjetta ja tehojärjestelmää ja 100 kg tieteellisiä instrumentteja ja kommunikaatiojärjestelmää, joka sisältää isohkon paraboliantennin. Tehojärjestelmä sisältää 50 watin tehoisen RTG:n (radioisotooppivirtalähteen) ja aurinkopaneelit, jotka tuottavat alussa (1 AU etäisyydellä) vähän yli kilowatin tehon. Luotain laukaistaan pakoradalle, minkä jälkeen se avaa sähköpurjeen, käyttää sitä puolitoista vuotta ja heittää sen sitten pois. Tällöin alus on Uranuksen etäisyydellä (20 AU) ja lentää matkanopeudella 75 km/s. 6.5 vuoden kuluttua lähdöstä luotain on 100 AU:n etäisyydellä eli osapuilleen siellä missä Voyager-1 on nyt ja missä aurinkotuuli päättyy terminaatioshokkiin. Heliosfäärin rajan (200 AU) luotain läpäisee 13 vuoden kuluttua lähdöstä.

Voyagerit ovat jättämässä aurinkokunnan tomuja taakseen. Kuva: Wikipedia.
Sähköpurjeella toteutettava IHP on niin kevyt, että saman tien kannattaisi lähettää kaksi tai useampia identtisiä luotaimia, esimerkiksi ensimmäiset kaksi yhdellä Soyuz-laukaisulla ja seuraava pari vähän myöhemmin. Useampi luotain pienentää epäonnistumisen riskiä ja tuottaa arvokkaita gradienttimittauksia heliosfäärin plasmasta. Luotainohjelma ei olisi sen kalliimpi kuin muutkaan ESA-missiot, koska suuresta nopeudesta seuraava kohtuullinen toiminta-aika pitää operointikulut kurissa. Koska luotain ei käytä planeettojen ohilentoja, laukaisu on mahdollinen joka vuosi.  Sähköpurjeelta vaadittava toiminta-aika on vain puolitoista vuotta. Vaikka purje lakkaisi toimimasta jo puolen vuoden päästä eli Jupiterin etäisyydellä, loppunopeus olisi silti täysin riittävä 60 km/s. Mahdollinen epäonnistuminen tiedetään siis jo muutaman kuukauden päästä ja ratadynamiikan kannalta uusi yritys voidaan tehdä viimeistään seuraavana vuonna. Tilanne on helpompi kuin jopa Mars-tutkimuksessa, jossa seuraavaa laukaisuikkunaa pitää odottaa kaksi vuotta!
Heliosfääri on magnetosfääriä muistuttava monimutkainen plasma-alue, joka ei tule kunnolla tutkituksi yhdellä tai muutamalla luotaimella. Sähköpurjetekniikalla heliosfäärin ulko-osien tutkimus ei ole enää mikään millenium-projekti, vaan tuloksien odotteluajat ja hankkeen riskit ovat samantapaisia kuin arkipäiväisissä Maata ja Marsia kartoittavissa satelliittiohjelmissa.

Pekka Janhunen

torstai 10. kesäkuuta 2010

Tarvittavia tekniikoita

Sähköpurjekolumni 10.6.2010

Sähköpurjeen EU-hakemuksen neuvottelut ovat käynnissä ja projekti alkanee joskus syksyllä. Projektin tavoitteena on rakentaa prototyypit sähköpurjeen avainkomponenteista ja siinä on mukana 5 Euroopan maata ja 9 partneria. Avainkomponentteja ovat itse lieka (tavoitteena tuottaa vähintään 1 km), liekarulla kelautuvuustesteineen ja ns. etäyksikkö jollainen sijoitetaan jokaisen liean kärkeen. Liekojen kärjet yhdistetään toisiinsa muovisilla apulieoilla, mikä stabiloi rakenteen mekaanisesti niin että sähköpurjeen lennon aikana liekarullia ei tarvitse kelailla edestakaisin liekojen pituuksien hienosäätämiseksi vaan selvitään ilman liikkuvia osia. Kukin etäyksikkö sisältää rullan josta siihen kuuluva apulieka avataan sekä pienen moottorin. Näiden moottorien avulla käynnistetään liekasysteemin pyöriminen avaamisen yhteydessä ja niiden avulla voidaan myös hidastaa tai nopeuttaa liekojen pyörimistä myöhemmin, mikäli tarve vaatii. Moottori voi olla joko kylmäkaasumoottori (pieni paineistettu kaasusäiliö jonka vieressä on venttiili ja suutin) tai ns. FEEP-ionimoottori. Sekä kylmäkaasu- että FEEP-moottorien prototyypit rakennetaan tässä EU-projektissa. Näillä moottoreilla voi olla käyttöä muuallakin kuin sähköpurjeessa, esimerkiksi satelliitin asennonsäätömoottorina tai piensatelliitin päämoottorina.

FEEP periaatekuva. Lähde: Alta


Liekojen päihin tulevat, 0.3-0.5 kg painavat etäyksiköt ovat vähän kuin nanosatelliitteja itsekin, tosin toiminnoiltaan riisuttuja.

Sähköpurjeen suunnittelijan pitää tavalla tai toisella estää pyörivien liekojen osuminen toisiinsa, vaikka aurinkotuuli vaihtelee ja tönii liekoja hieman eri tavalla. Liekojen kärkiä yhdistävät ja keskipakoisvoiman kaarelle painavat apulieat ovat yksi mahdollinen ratkaisu. Toinen mahdollisuus saattaisi olla asentaa kuhunkin etäyksikköön pieni, käännettävä aurinkopurje (valopurje). Valopurjeliuskan lapakulmaa säätämällä jokaista liekaa voitaisiin "lentää" niin että se pyörii halutulla nopeudella eikä törmää naapureihinsa. Vastaavalla periaatteella toimivia, heliogyroiksi kutsuttuja valopurjeita on tutkittu laskennallisesti, mutta ei lennätetty.

Heliogyron havainnepiirros. Lähde: NASA 1967
Erilaisten toimintahäiriöiden simulointi tulee olemaan välttämätöntä ja mielenkiintoista. Tavoite on että sähköpurje voisi toipua yksittäisen etäyksikön hajoamisesta tai liean katkeamisesta.

Pekka Janhunen