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
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti