Sähköpurjeen sovelluksia, osa 6: Jatkuvaa voimaa vaativat radat

Aurinkoseismologia, aurinkotuulen tarkkailu ja napaluotaimet

Koska sähköpurje tuottaa jatkuvasti työntövoimaa eikä kuluta polttoainetta, sitä voidaan käyttää luotaimen pitämiseen sellaisella radalla joka ei tavallisen ratadynamiikan mukaan ole mahdollinen. Sähköpurje ja aurinkopurje ovat ainoat tunnetut tekniikat joilla tällaiset luotaimet voitaisiin toteuttaa ainakin jos tavoitteena on pitkä toiminta-aika.

Aurinkoseismologia Luotain pannaan kiertämään Aurinkoa ympyräradalla, mutta sen ratataso pidetään sähköpurjeen avulla planeettojen ratatason yläpuolella, jolloin luotaimesta on pysyvä näkymä Auringon pohjoiselle napa-alueelle. Toisin sanoen luotain ei kierräkään Aurinkoa, vaan valittua avaruuden pistettä joka sijaitsee Auringon pyörimisakselin jatkeella kymmenien miljoonien kilometrien päässä tähden pinnasta. Jos lisäksi luotaimen kiertoajaksi valitaan yksi vuosi, luotain pysyy koko ajan kohtalaisen lyhyen ja vakiona pysyvän etäisyyden päässä Maasta, mikä vähentää tiedonsiirtokuluja. Aurinkoseismologeja kiinnostaa tällainen luotain, sillä he tutkivat Auringon pinnan hitaita ja pieniä värähtelyjä. Näistä värähtelyistä voidaan päätellä paljon Auringon sisuksessa möyrivistä virtauksista jotka ovat tärkeitä mm. Auringon dynamon ja magneettisen aktiivisuuden ymmärtämisen ja ennustamisen kannalta. Auringon napa-alueet ovat tässä mielessä vähän tutkittuja, koska useimmat aurinkoluotaimet ovat kiertäneet lähellä planeettojen ratatasoa. Lisäksi usean vuoden yhtäjaksoinen aikasarja napa-alueesta ja sen pinnan edestakaisesta aaltoilusta olisi arvokas.

Auringossa riittää vielä paljon tutkittavaa.
Kuvassa Aurinko röntgenalueella nähtynä. Kuva: SOHO/NASA.

Aurinkotuulen tarkkailu Aurinko-Maa systeemin Lagrangen L1-pisteessä on luotaimia (ACE ja Soho) jotka mittaavat aurinkotuulta ennen kuin se osuu Maan magnetosfääriin ja siten pystyvät ennustamaan magnetosfäärin myrskyisyyttä karkeasti ottaen noin tunnin eteenpäin. Noin tunti kuluu nimittäin siihen kun aurinkotuuli kulkee Lagrangen L1-pisteestä Maahan. Sovelluksia ajatellen olisi hyödyllistä kyetä ennustamaan aurinkotuulen käyttäytymistä vähän pidemmällekin tulevaisuuteen kuin vain yhden tunnin päähän. Toisaalta tarkkailemalla Aurinkoa voidaan päästä paljon pitempiin eli 1-2 vuorokauden ennusteisiin, mutta silloin ennusteen epävarmuus on varsin korkea koska ei ole varmuutta siitä osuuko Auringon pinnalla mahdollisesti havaittu purkaus Maahan vai meneekö se ohitse. Kun ennuste perustuu suoraan aurinkotuulen mittaukseen jossain Maan ja Auringon välisessä pisteessä joka ei ole liian kaukana Maasta, sen luotettavuus on kohtalaisen hyvä.

Sähköpurjetekniikan kannalta aurinkotuulen mittaukseen liittyy kuitenkin eräs ongelma. Nimittäin kun sähköpurje toimii eli kun liekojen jännitteet ovat päällä, mitattavat aurinkotuulen ionit eivät pääse lähellekään luotainta. Vaikka luotaimen runko pidettäisiinkin nollapotentiaalissa ja vain itse lieat olisivat jännitteiset, liekojen ympärille muodostuva potentiaalirakenne ympäröi alusta ja sulkee ionien pääsyn mittalaitteelle. Ongelma voidaan ratkaista usealla tavalla. Esimerkiksi sähköpurjetta voidaan pitää päällä 15 min, sitten kytkeä se pois ja mitata 15 min, jne. Tuloksena olevassa aurinkotuulen mittaussarjassa on silloin 15 min katkoja, mutta se ei liene tässä tapauksessa kovin suuri haitta. Juuri 15 min lyhyemmiksi ei sähköpurjeen toiminta-aikoja kannata tehdä, koska tämänhetkisten arvioiden mukaan tietyistä plasmafysiikan ilmiöistä johtuen menee vähintään muutamia minuutteja ennen kuin sähköpurje saavuttaa täyden työntövoimansa jännitteiden päällekytkemisen jälkeen. Toinen vaihtoehto on asentaa aurinkotuulen mittalaite erilliseen alukseen, joka on mekaanisesti kytketty sähköpurjealukseen noin 1 km pituisella eristävällä liealla. Tällöin mittalaite saadaan riittävän kauas sähköpurjelieoista että liekojen sähkökenttä ei kovin paljon häiritse aurinkotuulimittausta. Kolmas vaihtoehto on käyttää kahta identtistä alusta jotka mittaavat aurinkotuulta vuorotellen. Tällöin mittaus- ja propulsiojaksot voivat olla pitempiä, esimerkiksi vuorokauden mittaisia. Vuorokaudessa luotain ei vielä ajaudu liian kauas pois halutusta pisteestä.

Auringon aktiivisuus vaihtelee 11 vuoden sykleissä.
Kuvassa UV-aurinko peräkkäisinä vuosina SOHO:n kuvaamana.

Napaluotain Sähköpurjeella voidaan kannatella luotainta myös Maan painovoimakenttää vastaan, tosin kovin lähellä Maata ei voida silloin olla. Esimerkiksi luotain voisi sijaita parin Kuun etäisyyden päässä (700,000 km) Maan pyörimisakselin jatkeella. Luotaimesta olisi pysyvä näköyhteys koko napa-alueelle ja sitä voisi käyttää esimerkiksi sää- tai tietoliikennesatelliittina.

Tietoliikenteessä napaluotaimen etuna verrattuna naparadan satelliitteihin olisi mahdollisuus kiinteästi suunnattuun maa-antenniin, koska luotain olisi aina samassa suunnassa eli lähellä Pohjantähteä.  Myös jatkuva, keskeytyksetön tietoliikenneyhteys olisi etu. Haittana olisi toisaalta pitkä etäisyys, mikä vaatii isomman antennin, suuremman lähetystehon tai tyytymisen pienempään tiedonsiirtonopeuteen.

Sääsatelliittisovelluksessa edut ja haitat ovat samantapaiset. Mahdollisuus nähdä napa-alue jatkuvasti ja vieläpä kohtisuorassa suunnassa on etu verrattuna tavallisiin satelliitteihin, jotka joko näkevät napa-alueen viistosta (maasynkroniset satelliitit) tai pyyhältävät nopeasti yli (naparadan satelliitit). Toisaalta kahden Kuun etäisyyden päästä napa-alueen näkee tarkasti vain isohkolla teleskoopilla, mikä lisää painoa ja vaatinee aktiivisesti toimivan suuntauksen, koska sähköpurjeella varustettu luotain ei pysy täysin paikoillaan vaan lieat sitä aina vähän heiluttelevat.

Napaluotaimen mahdollinen sovellusalue on laaja koska se kattaa lähes kaikki sovellukset missä satelliitteja ylipäätään käytetään. Sähköpurjekäyttöisen napaluotaimen sovellusten selvittäminen ja niiden hyödyllisyyden arviointi odottaa tekijäänsä.

Sähköpurjeluotain voisi toki tarkkailla Maata muustakin suunnasta kuin navan päältä, mutta on epäselvää olisiko siitä hyötyä tavallisiin satelliitteihin verrattuna.

Hubblen UV-alueella kuvaamat Jupiterin revontulet.
Kuva: NASA/ESA/Hubble heritage team.

Muiden planeettojen napaluotaimet Jättiläisplaneetoilla on komeita revontulia, mutta niiden tarkkailu Maasta käsin on vaikeaa,  koska katselukulma on viisto. Jupiterin ja Saturnuksen revontulia on kuvattu myös niitä kiertävistä luotaimista (Galileo ja Cassini) käsin. Kummassakin tapauksessa tutkimuksen ongelmana on kuitenkin ollut samanaikaisen aurinkotuulimittauksen puute jättiläisplaneetan lähellä. Aurinkotuulihan on revontuli-ilmiöiden energialähde, vaikka jättiläisplaneettojen tapauksessa myös niiden kuut vaikuttavat plasmailmiöihin. Sähköpurje pystyisi kannattelemaan luotainta vinottain jättiläisplaneetan edessä siten että sillä on jatkuva näköyhteys planeetan navalla loimottaviin revontuliin ja toisaalta luotain olisi planeetan magnetosfäärin ulkopuolella jolloin se voi mitata aurinkotuulta. Tuloksena olisi mittaussarja planeetan kokemasta aurinkotuulesta ja samanaikaisista revontulista.

Kun näitä sovelluksia miettii, huomaa että hätkähdyttävän usein avaruuteen mennään itse asiassa näköalan takia. Esimerkiksi sääsatelliitti, tietoliikennesatelliitti, vakoilusatelliitti, aurinkovoimasatelliitti ja tässä käsitellyt ei-kepleriset sähköpurjealukset perustuvat kaikki näköalan saavuttamiseen, eli yksinkertaisesti aluksen paikan tarjoamaan geometriseen etuun. Muitakin syitä nousta avaruuteen toki on olemassa, esimerkiksi avaruusplasmafysiikan paikan päällä tehtävät mittaukset (plasmaa voidaan mitata vain lentämällä sen läpi) tai asteroidien kaivostoiminta. Saatamme olla avaruusolentoina vielä melkoisia aloittelijoita, kun suuri osa toiminnastamme voidaan selittää yksinkertaisella geometrisella idealla.

Pekka Janhunen