Sähköpurjeen sovelluksia, osa 7: Merkuriukseen 9 kuukaudessa ja takaisin

Merkurius Messengerin kuvaamana 6.10.2008.
Lähde: Wikimedia

Perussähköpurje tuottaa 1 N työntövoiman 1 AU:n etäisyydellä, ja voima skaalautuu kääntäen verrannollisena etäisyyteen Auringosta. Perussähköpurjeen massa on 100-200 kg, joten se tuottaa 1 mm/s² kiihtyvyyden tonnin painoiselle kokonaismassalle, eli sähköpurjeen lisäksi 800-900 kg hyötykuormalle. Kiihtyvyys 1 mm/s² riittää matkaamiseen lähes mihin tahansa aurinkokunnan kohteeseen kohtuullisessa ajassa, esimerkiksi Jupiter 1.6, Saturnus 2.8, Uranus 5.3 ja Neptunus 8 vuodessa. Jättiläisplaneettojen tapauksessa alus heitetään sähköpurjeella ulos sisäaurinkokunnasta ja jätetään planeetan kiertoradalle pienellä kemiallisella jarrutuspoltolla, joka tehdään mahdollisimman lähellä planeettaa. Taustalla on ratadynamiikan Oberthin efekti, joka tehostaa lyhyen rakettipolton vaikutusta, jos poltto tehdään lähellä painavaa taivaankappaletta. Jos jättiläisplaneetan kiertoradalle pitäisi päästä pelkällä sähköpurjeella ilman kemiallista jarrutuspolttoa, matka-aika olisi huomattavasti pitempi. Samat lait koskevat muitakin heikon voiman propulsiomenetelmiä, kuten ionimoottoreita ja valopurjeita.

Venukseen pääseminen on helppoa (niin helppoa että sähköpurjeesta ei ole juuri hyötyä), mutta Merkurius on paljon vaikeampi. Merkurius on syvällä Auringon gravitaatiokuopassa, ja planeetta on niin kevyt että Oberthin efektistä ei ole juuri apua. ESA:n rakenteilla oleva Merkurius-luotain BepiColombo käyttää kemiallisen raketin ja ionimoottorin yhdistelmää, luotaimen laukaisumassa on suuri ja sen matka-aika on 6 vuotta. Matkallaan luotain kerää gravitaatiopotkua Kuulta, Maalta, Venukselta ja Merkuriukselta, jälkimmäisiltä useaan otteeseen, joten laukaisupäivää ei voi muuttaa ilman että koko lentosuunnitelma ja matka-aika muuttuvat. BepiColombo on tavallaan nykytekniikan lippulaiva: suuri, monimutkainen ja kallis avaruusalus, joka yhdistelee monia eri tekniikoita. Luotain laukaistaan 2014 ja se on perillä 2020.

BepiColombon "Mercury Magnetospheric Orbiter" (MMO)
Suuressa Avaruussimulaatiossa (Large Space Simulator, LSS) ESTECissä.

Sähköpurjeella Merkuriukseen voisi päästä halvalla, nopeasti, ja ilman eri maksua voisi tulla vielä takaisinkin. Matka-aika Merkuriukseen sähköpurjetta käyttäen olisi noin 9 kuukautta. (Arvio on laskettu olettamalla Merkuriuksen rata ympyräksi, joten se on melko karkea.) Lento olisi halpa, koska Merkuriukseen päätyvän hyötykuorman (800-900 kg) lisäksi tarvitaan vain itse sähköpurjeen massa (100-200 kg). Paketti riittää laukaista Maasta pakoradalle, ja koska mikä tahansa pakorata kelpaa, myös piggyback-vaihtoehdot ovat mahdollisia. Koska sähköpurjeella on ääretön ominaisimpulssi, delta-v -budjetista ei tarvitse huolestua.

Sähköpurje kuluttaa 1 AU:n etäisyydellä 700 W tehon. Merkuriuksen etäisyydellä aurinkotuulen tiheys on kymmenkertainen, joten tehokulutus on siellä 7 kW, kun vaaditaan työntövoiman 1/r -skaalautuminen johon 9 kk matka-aika perustuu. Nykyisten aurinkopaneelien ominaisteho on 100 W/kg, joten 7 kW paneelisto painaa 70 kg. Tämä massa-arvio pätee 1 AU:ssa, ja oletetaan tässä rohkeasti että se pätee Merkuriuksessakin: siellä aurinko paistaa kymmenkertaisella tehotiheydellä, mutta toisaalta aurinkopaneelien hyötysuhde huononee kuumassa. Aurinkopaneelien tuottoa lähellä aurinkoa voidaan optimoida kääntämällä ne sopivaan kulmaan. Hitaasti pyörivä sähköpurjetakila on jo valmiiksi jossakin ratadynamiikan määräämässä kulmassa aurinkoon nähden.

BepiColombon orbitterin Proto-Flight Model menossa Phenix tyhjiötestikammioon tammikuussa 2013. Kuva: ESA

Nykyisessä sähköpurjeen EU-projektissa insinöörityön tavoitteena on 0.9-4 AU:n etäisyysväli. Merkurius-missiota varten sähköpurje lentoratoineen pitäisi suunnitella uudelleen. Saattaa olla että erilaisten kompromissien takia matka-aika tulisi olemaan jonkin verran pitempi kuin 9 kk. Muutama kuukausi sinne tai tänne matka-ajassa ei kuitenkaan ole olennaista mission toteutettavuuden ja hyödyn kannalta.

Myös paluu Merkuriuksesta olisi periaatteessa helppoa: purje vain käännetään aurinkoon nähden vastakkaiseen kulmaan kuin menomatkalla. Kotiin tosin kannattaa palata vain jos mukana on Merkurius-näyte. Näytteen noutaminen Merkuriuksen pinnalta on periaatteessa suoraviivaista, mutta vaatii massaa. Koska planeetalla ei ole ilmakehää, sekä laskeutumisessa että nousussa pinnalta tarvitaan kemiallista rakettia. Delta-v matalalta kiertoradalta planeetan pinnalle on 3 km/s yhteen suuntaan, eli sekä laskussa että nousussa noin 2/3 painosta pitää olla polttoainetta. Jos näytteenhakulennon massa ylittää yhden sähköpurjeen kantokyvyn, matkaan voidaan lähettää kaksi sähköpurjealusta, esimerkiksi niin että toinen vie perille laskeutujan ja toinen hakee näytekapselin pois. Voisi myös olla mahdollista ja tieteellisesti perusteltua hakea näyte vain Merkuriuksen harvasta eksosfääristä eikä pinnalta.

BepiColombo Merkuriuksen radalla. Piirros: ESA

Näytteenhaku Merkuriukselta (ainakin planeetan pinnalta) olisi tieteellisesti iso juttu, koska maanpäällisessä laboratoriossa näyte voitaisiin tutkia perin pohjin. Aihetta ei ole vielä kovin paljon pohdittu. Nopea kirjallisuushaku tuotti yhden artikkelin vuodelta 2006, jossa oli selvitetty näytteenhakua Merkuriuksesta 275-metrisellä valopurjeella 3+1 vuodessa.

Tällä hetkellä Merkurius ei ole sähköpurjetiimin prioriteettilistan kärjessä. Jos kiinnostus planeettaa kohtaan kasvaa, pystymme reagoimaan tilanteeseen.

Pekka Janhunen