Sähköpurjekolumni 31.8.2017
Sähköpurjeella Kuuhun meneminen on vähän kuin menisi lentäen Malmilta Helsinki-Vantaalle. Mutta yksi haaste kuututkimuksessa on että Kuuta kiertävät radat tuppaavat olemaan epästabiileja koska Kuun painovoimakenttä on niin kuoppainen. Kuuta kiertävät alukset tarvitsevat jatkuvaa propulsiota radan ylläpitoon, ja sähköpurje voisi soveltua siihen. Kuun lähellä painovoimagradientti voi tosin häiritä pyörivää moniliekaista sähköpurjetakilaa, mutta jos alus on pienehkö, voidaan käyttää yksiliekaista laitetta jossa lieka roikkuu pystysuorassa painovoimagradientin avulla. Eli samanlainen järjestely kuin perusplasmajarrussa.
Magneettikenttää Kuulla ei juuri ole, joten sähköpurjeen tarvitsema aurinkotuuli pääsee Kuun pintaan asti. Yöpuoli on tosin aurinkotuulen katveessa, mutta ratakorjauksiin riittää päiväpuolenkin propulsio. Ratakierroksellaan Kuu viettää 2/3 ajasta aurinkotuulessa ja loput Maan magnetosfäärin sisällä, jossa plasmavirtaus on erilaista. Tuo reilun viikon mittainen magnetosfäärikatve ei ole radan ylläpidon kannalta vielä ongelma.
ESA pyysi viime vuonna ehdotuksia Kuuta kiertäviksi cubesateiksi, ja laadimme suunnitelman jossa 3-U cubesat kuvaa Kuun pimeän puolen mikrometeorivälähdyksiä ja ylläpitää matalaa kiertorataansa yksiliekaisen sähköpurjeen avulla. Ehdotustamme ei valittu, mutta sen sijaan he valitsivat toisen jossa oli sama tiedepäämäärä, eli Kuun pinnan käyttäminen mikrometeoroididetektorina. Siinä rata oli korkeampi koska sähköpurjetta ei ollut käytössä ja kamera ja alus vastaavasti paljon painavampia kuin meillä.
Kuu on toisaalta houkutteleva ja toisaalta vaikea paikka toimia. Kuu on ainoa taivaankappale joka on niin lähellä että Maasta käsin voidaan teleoperoida robottia siedettävällä kahden sekunnin viiveellä. Siinä mielessä se olisi hyvä paikka harjoitella esimerkiksi asteroidien kaivostoimintaa. Mutta suuri lämpötilaero päivän ja yön välillä sekä yön pitkä kesto ovat haasteita varsinkin pienille laskeutujille. Myös liikennöinti Kuuhun on kallista, koska laskeutuminen ja nousu vaativat kemiallisen raketin ja Kuusta on vaikea löytää polttoainetta tankattavaksi. Napojen huippukylmissä auringottomissa kraattereissa vesijäätä tosin ilmeisesti on. Uusille keksinnöille olisi tilausta kuuasioissa.
Tuoreita sähköpurjeuutisia ja vanhoja Avaruusluotain-lehdessä (Suomen Avaruustutkimusseuran jäsenlehti) julkaistuja sähköpurjekolumneja ja muita kirjoituksia. Sähköpurjeen kotisivu on www.electric-sailing.fi.
Näytetään tekstit, joissa on tunniste Kuu. Näytä kaikki tekstit
Näytetään tekstit, joissa on tunniste Kuu. Näytä kaikki tekstit
torstai 31. elokuuta 2017
maanantai 15. marraskuuta 2010
Sähköpurjeen sovelluksia, osa 5: Kiertoajelu asteroideilla
Koska sähköpurje ei tarvitse
polttoainetta, sitä käyttävä luotain voisi lentää useiden asteroidien vierellä
havaintoja tehden. Asteroidivyöhykkeellä lennettäessä sähköpurjeen suuri
tehokkuus pääsee oikeuksiinsa, koska luotain pysyy jatkuvasti sopivalla
etäisyydellä auringosta. Esimerkiksi kymmenen vuoden tehtävässä yhden newtonin
sähköpurje (massa 100 kg) tuottaa 300 miljoonan newtonsekunnin
kokonaisimpulssin, mikä vastaa sadan tonnin kemiallisen raketin tuottamaa
impulssia. Jos tuo satakiloinen purje on asennettu tonnin painoiseen alukseen,
delta-v:tä kertyy kymmenvuotisen tehtävän aikana huimat 300 km/s. Jos vastaava
tehtävä yritettäisiin suorittaa ionimoottorilla, ominaisimpulssin pitäisi olla 30,000
sekuntia ja tehon parisataa kilowattia. Parhaat nykyiset aurinkopaneelit
tuottavat noin 100 W/kg, jolloin jo pelkkä aurinkopaneelisto painaisi pari
tonnia eli 20 kertaa enemmän kuin sähköpurje. Jos sähköpurje saadaan toimimaan
edes likimain ennustetulla tavalla, se tulee olemaan täysin ylivoimainen
propulsiolaite tämäntyyppisissä tehtävissä.
Asteroidivyöhykkeellä on paitsi
asteroideja, myös niistä irronneita kiviä, soraa, hiekkaa ja pölyä. Ne voivat
periaatteessa katkoa sähköpurjeliekoja. Emme osaa tarkasti arvioida liean
katkeamisen todennäköisyyttä, koska emme tiedä kuinka paljon pienkappaleita
asteroidivyöhykkeellä on. Meteoroidimallien mukaan asteroidivyöhykkeellä
esiintyy suhteellisesti vähemmän hienojakoista pölyä ja enemmän pikkukiviä kuin
lähellä Aurinkoa. Tällöin asteroidivyöhykkeelle optimoitu sähköpurjelieka on
leveämpi kuin esimerkiksi Merkuriuksen radalle suunniteltu. Leveämpi lieka on
nopeampi valmistaa, koska tarvitaan vähemmän lankaliitoksia liean
pituusyksikköä kohti. Toisaalta liekarullien pitää olla kookkaampia.
Videolla löydettyjä asteroideja vuodesta 1980 lähtien - aikamoista ruuhkaa loppua kohden! Havaintomenetelmien parantuessa myös tunnettujen asteroidien lukumäärä on noussut kovaa vauhtia. Video: Scott Manley, Lowellin observatorio
Liekojen meteoroidikestävyyttä
voidaan tarvittaessa parantaa lisäämällä rinnakkaisten lankasäikeiden määrää.
Asteroidivyöhykkeen kivi ja sora ei siis ole sähköpurjeelle periaatteellinen
ongelma.
Toinen tärkeä seikka asteroideja tutkivalle
sähköpurjeelle on navigointitarkkuus. Jos luotaimen on tarkoitus lentää
esimerkiksi muutamia päiviä 100 km päässä asteroidista tarkkojen kuvien ja
alkuaineanalyysin suorittamiseksi, sähköpurjeen oma lentotarkkuus ei ehkä riitä
vaan mahdollisesti tarvitaan avuksi esimerkiksi FEEP-moottoreista saatavaa
tarkasti säädettävää työntövoimaa. Lisäksi sähköpurjelieat ja itse alus aina
heiluvat jonkin verran. Jotta saataisiin tarkkoja kuvia asteroidin pinnasta,
kamerassa pitää olla laitteisto, joka pitää sen tarkasti halutussa suunnassa
huolimatta avaruusaluksen rungon liikkeistä.
Kuinka monta asteroidia
sähköpurjemissio voisi tutkia kymmenessä vuodessa? Kysymystä ei ole tutkittu ja
se vaatii joka tapauksessa tarkentavia oletuksia. Ovatko kaikki asteroidit kiinnostavia?
Halutaanko lentää tutkittavan asteroidin rinnalla vai riittääkö suuremmalla
nopeudella tapahtuva lyhyt ohilento? Halutaanko tutkia Maan lähiasteroideja
(ns. NEO-asteroideja, Near-Earth Objects) vai käydä läpi koko asteroidivyöhyke
sisältä ulkoreunalle asti?
Pekka Janhunen puhumassa sähköpurjeesta. Kuva: Riina Varol, Wikimedia |
Ehkä tarkan lentosuunnitelman
tekeminen on tarpeetonta ja asteroidien sähköpurjekartoitukseen voitaisiin
suhtautua kuten Mars-mönkijöihin, joita käskytetään tilanteen mukaan
mielenkiintoiselta kiveltä ja kraatterilta toiselle. Tärkeintä on oppia
lentämään ja tekemään laadukkaita havaintoja sähköpurjealuksesta käsin.
NEO-asteroidit olisivat siinä mielessä kiitollinen aloituskohde että silloin
pysyttäisiin melko lähellä Maata, jolloin meteoroidiympäristö ja terminen
ympäristö ovat samantapaisia kuin satelliiteilla ja datan siirto Maahan on
suhteellisen helppoa lyhyehkön etäisyyden takia. NEO-asteroidit olisivat
tärkeimmät myös törmäysten eston ja asteroidien kaivostoiminnan kannalta.
Asteroidien kaivostoiminta
on tulevaisuuden avaruustoiminnan todennäköinen kulmakivi. Asteroidien
raaka-aineista voidaan valmistaa rakettipolttoaineet suurten
aurinkovoimasatelliittien nostamiseen radoilleen ja ehkä myöhemmin myös
satelliittien rakenteellisia osia tai jopa avaruuden siirtokuntien raskaita
rakenteita. Maan päällä puolestaan asteroideilta tuodut kohtuuhintaiset
platinaryhmän metallit saattaisivat mahdollistaa esimerkiksi polttokennojen
laajamittaisen käytön. Asteroidien etu verrattuna Kuuhun on, että kaivannaisia
ei tarvitse nostaa pinnalta raketeilla ja että hiilikondriittiasteroideilla
esiintyy runsaasti myös vettä ja hiiltä rakettipolttoaineiden raaka-aineiksi.
Toisaalta asteroidien haittapuoli on pääomakuluja lisäävä ajallisesti pitkä
siirtomatka, joten ehkä lopullisempi ratkaisu on käyttää myös kuuperäisiä
aineita nostaen niitä raketeilla asteroidiperäisen metaanin tai vedyn avulla
(happi voitaneen tuottaa Kuun kivistä). Joka tapauksessa sähköpurjeet
mahdollistavat liikenteen asteroideille ja takaisin kohtuullisin kustannuksin.
Pekka Janhunen
Tilaa:
Blogitekstit (Atom)