Rakettiyhtälöstä on
avaruustoiminnassa iso haitta. Katsaus ajoaineettomiin menetelmiin on
siis paikallaan. Avaruuskelpoinen tyhjiöpumppu ja muuta jännää on
luvassa.
Fotonipurje
Aurinkopurje on laaja ja
ohut heijastava kalvo, joka pysyy auki keskipakoisvoiman tai pitkien
tankojen avulla. Jos halutaan hyvä suorituskyky, kalvon pitäisi
olla varsin ohut. Fotonipurje toimii kaikkialla missä aurinko
paistaa, mutta työntövoima vähenee auringosta mitatun etäisyyden
neliössä. Alle noin 700 km korkeudella ilmanvastus voittaa
säteilypaineen, joten fotonipurje on nostettava korkeammalle
aloitusradalle.
Oma näkemykseni on että
pyörivät heliogyro-tyyppiset purjeet olisivat levypurjeita
kiinnostavampia, koska niissä kalvoja ei tarvitse taitella vaan
ainoastaan rullata, koska niiden työntövoiman suuntaa ja suuruutta
voidaan säätää monipuolisemmin ja koska purjekalvot saadaan
kauemmas pääaluksesta niin että ne eivät häiritse
radioliikennettä ja tiedeinstrumentteja.
Sähköpurje
Sähköpurje koostuu
ohuista varatuista metallilangoista, jotka poikkeuttavat
aurinkotuulen protoneja suunnastaan ja siten saavat niiltä
liikemäärää. Sähköpurje toimii kaikkialla minne aurinkotuuli
puhaltaa, eli kaikkialla aurinkokunnassa paitsi Maan ja
jättiläisplaneettojen magnetosfäärien sisällä. Työntövoima
vähenee kääntäen verrannollisena auringosta mitattuun etäisyyteen
eli hitaammin kuin fotonipurjeella. Työntövoiman suuntaa voidaan
säätää hieman rajoitetummin kuin fotonipurjeessa, mutta toisaalta
sen suuruutta voidaan säätää rajattomasti nollan ja maksimiarvon
välillä. Arvioiden mukaan sähköpurjeen työntövoima suhteessa
laitteen painoon on huomattavan suuri. Työntövoimaa ei tosin
pystytä arvioimaan kovin tarkasti teoreettista tietä ja
työntövoimamittausta aurinkotuulessa ei ole vielä tehty.
Sähködynaaminen lieka
Sähködynaamisella
liealla voi nostaa tai laskea LEO-satelliitin rataa. Jos rataa
nostetaan, laite kuluttaa sähkötehoa, jos sitä lasketaan, se
toimii generaattorina. Jos lieka on painovoimastabiloitu eli roikkuu
satelliitista kohti maata tai maasta poispäin, laite toimii
kuvatulla tavalla vain päiväntasaajaradalla, koska muilla radoilla
liekaan kohdistuva magneettinen voima muuttaa myös radan
inklinaatiota. Jos lieat pyörivät kuten sähköpurjeessa, sitä voi
käyttää monipuolisemmin myös muilla kiertoradoilla.
Peikkona
sähködynaamisessa lieassa on että jos lieka katkeaa, irronneesta
pätkästä tulee ikävä avaruusromu, joka tosin putoaa alas
tyypillisiä satelliitteja nopeammin. Mitä matalampi ratakorkeus,
sitä pienempi ongelma tämä on.
Sähköstaattinen lieka
eli plasmajarru on niin ohut että se ei uhkaa muita satelliitteja.
Menetelmä sopii pieniin satelliitteihin ja nimensä mukaisesti sillä
voi vain jarruttaa, ei kohottaa rata. Plasmajarrun käyttämä
fysikaalinen periaate on läheistä sukua sähköpurjeelle.
Asteroidivesi
Hiiliasteroidit
sisältävät vesijäätä, jota on periaatteessa suoraviivaista
louhia lämmittämällä. Vettä voitaisiin kuljettaa maan
kiertoradalle sähköpurjeilla. Jos vesipitoinen asteroidi on
riittävän lähellä Maata, rakettityypisetkin propulsiomenetelmät
saattaisivat olla riittävän taloudellisia. Maan kiertoradalla vettä
voidaan tankata elektrolyysipropulsioalukseen, joka sitten pystyy
siirtelemään satelliitteja radalta toiselle. MEO- ja GEO-radat ovat
valitettavasti välialuetta, joka on elektrodynaamiselle liealle
liian korkea ja sähköpurjeelle liian matala. Ajoaineettomista
menetelmistä siellä toimii vain fotonipurje, joka on kuitenkin
varsin hidas eikä toimi ilmanvastuksen takia matalimmilla radoilla.
Elektrolyysiraketit olisivat satelliittien siirtelyyn sangen
hyödyllisiä, kunhan halpaa asteroidivettä olisi saatavissa
kiertoradalla. Siirto niillä kestäisi tyypillisesti muutaman
kuukauden, mikä on nopeampi kuin ionimoottorilla vaikkakin hitaampi
kuin hydratsiinilla.
Ilmakehän ionimoottori
ESA:n
GOCE-painovoimasatelliitti lentää matalalla ja ylläpitää
ratakorkeuttaan ionimoottorilla. Ei tarvitsisi muuta kuin varustaa
satelliitin keula muotoillulla aukolla ja tyhjiöpumpulla, niin se
voisi imeä tarvitsemansa ajoaineen ilmakehästä. Konseptia on
mietitty ESA:ssa. Hall-moottorin sisus on boorinitridiä, joten typen
pitäisi kelvata ajoaineeksi ilman korroosio-ongelmaa. Hapen
erottamiseen typestä on useita keinoja, tai ehkä ionimoottori
sietää happeakin. Koska ionimoottorin suihkun nopeus on
tyypillisesti 30 km/s, satelliitti tarvitsee vain osan keräämästään
kaasusta radan ylläpitoon. Ylijäämä voidaan säilöä tankkiin
joka mahdollistaa nousun ylemmälle radalla. Matalalla radalla
satelliittiin kohdistuu merkittävä aerodynaaminen voima, joten
satelliitti voi muuttaa myös inklinaatiotaan. Saadaan siis alus joka
pystyy muuttamaan kiertorataansa rajattomasti, kunhan muistaa käydä
välillä lentämässä matalalla radalla tankkaamassa. Sivutuotteena
saadaan happea, jota voi käyttää kemiallisessa raketissa jos on
tarpeen tehdä nopeampi manööveri. Poltettava aine joudutaan tosin
silloin tuomaan muualta, todennäköisesti maasta.
Kuulostaa liian hyvältä
ollakseen totta, joten jossain on varmaankin tekninen pullonkaula.
Ehkä riittävän monta kuutiometriä sekunnissa siirtävä
tyhjiöpumppu painaa liikaa.
Pekka Janhunen
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti