Näytetään tekstit, joissa on tunniste sovellus. Näytä kaikki tekstit
Näytetään tekstit, joissa on tunniste sovellus. Näytä kaikki tekstit

sunnuntai 26. huhtikuuta 2015

Sähköpurje mahdollistaa miehitetyn Mars-liikenteen järkihintaan


 Jos sähköpurjeilla haetaan vettä asteroideilta ja tehdään siitä nestevetyä ja nestehappea Maan ja Marsin kiertoradoilla, edestakaisen miehitetyn Mars-lennon kustannukset putoavat dramaattisesti, koska alus voidaan tankata molemmissa päissä. Edestakaisin liikennöivät alukset mahdollistaisivat ihmisen jatkuvan läsnäolon Marsissa hintaan joka ei olisi olennaisesti korkeampi kuin nykyisen Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) ylläpitokustannukset.

Sähköinen aurinkotuulipurje (http://www.electric-sailing.fi) tarjoaa uudenlaisen, ajoaineettoman tavan liikkua aurinkokunnassa. Tämä mahdollistaa asteroidien kaivostoiminnan ja sieltä löydettävän veden kuljettamisen Maan ja Marsin kiertoradoille. Kiertoradalla vesi hajotetaan vedyksi ja hapeksi, jotka nesteytettynä toimivat rakettipolttoaineena. Kiertoradalla tehtävät välitankkaukset pienentävät huomattavasti planeettojen pinnalta laukaistavaa massaa, koska pinnalta täytyy laukaista ainoastaan miehistö, ruoka ja tarvikkeet, eikä koko matkan polttoaineita. Näin huojennetaan huomattavasti avaruusmatkailun kuluja ja mahdollistetaan jatkuvat edestakaiset miehitetyt lennot Maan ja Marsin välillä.
Aluksi kartoitetaan veden kaivostoimintaan sopivat asteroidit, jonka jälkeen niille lähetetään kaivosyksiköt. Näissä periaatteiltaan yksinkertaisissa yksiköissä asteroidimateriaalia kuumennetaan, jotta sen sisältämä vesi saadaan höyrystymään. Höyry johdatetaan kylmään säiliöön, jossa se tiivistyy vedeksi. Säiliön täytyttyä se hinataan Maan tai Marsin kiertoradalle tankkausasemalle sähköpurjeella, missä siitä tehdään rakettipolttoainetta tankattavia aluksia odottamaan. Maan pinnalta laukaistu miehistöalus tankataan ensimmäisen kerran Maan kiertoradalla ja tehdään rakettipoltto kohti Marsia. Matkan aikana miehistön säteilysuojana käytetään asteroidiperäistä vettä, mikä pienentää Maasta laukaistavaa massaa entisestään. Marsin radalla tankataan uudelleen paluumatkaa varten. Lisäksi jos Marsin radalla tankataan yhden ylimääräisen kerran, voidaan suorittaa täyspropulsiivinen laskeutuminen Marsiin, jolloin painavaa ja kallista lämpökilpeä ei tarvita.
Arvioimme että näiden sähköpurjeen ja asteroidien kaivostoiminnan mahdollistamien parannusten ja kerrannaisvaikutusten jälkeen edestakainen miehitetty liikenne ja ihmisen jatkuva läsnäolo Marsissa ei olennaisesti ylittäisi nykyisen Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) ylläpitokustannuksia. 
Janhunen, P., S. Merikallio and M. Paton, EMMI—Electric solar wind sail facilitated Manned Mars Initiative, Acta Astronautica, 113, 22-28, 2015, ISSN 0094-5765, http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.03.029, http://arxiv.org/abs/1409.1036


Sähköpurje mahdollistaa asteroidien kaivostoiminnan, josta saatava vesi voidaan jalostaa rakettipolttoaineeksi. Näin mahdollistuu järkevänhintainen miehitetty liikenne Maan ja Marsin välillä.

 

lauantai 8. maaliskuuta 2014

Miehitetyistä Mars-lennoista


HERRO: robottiluotainten ja miehitetyn Mars-lennon välimuoto

NASA:n George Schmidt on ehdottanut että Marsia kiertämään lähetetään avaruuslentäjiä, jotka etäohjaavat tosiaikaisesti pinnalla liikkuvia robottiluotaimia. Hän käyttää ajatuksesta nimeä HERRO: HumanExploration using Realtime Robotic Operations. Maasta ohjattavilla luotaimilla edestakainen tiedonsiirtoviive on tyypillisesti kymmeniä minuutteja. Marsin kiertoradalta käsin viive on vain sekunnin murto-osia, mikä avaa joukon uusia mahdollisuuksia. Schmidt kumppaneineen ehdottaa myös ajatuksen soveltamista muihin taivaankappaleisiin kuten Venukseen.

Minusta ajatus on mielenkiintoinen. Etäläsnäolon avulla robotilla voi periaatteessa tehdä lähes samat temput kuin pinnalla jäykässä avaruuspuvussa kävelevä ihminen pystyisi tekemään. Siinä tunnusteleeko ihminen Marsin hiekkaa avaruuspuvun jäykän käsineen läpi vai etäläsnäolon kautta kiertoradalta ei aistikokemuksen ja toiminnan tehokkuuden kannalta ole välttämättä suurta eroa, jos tekninen toteutus on laadukas.

Kuva: Schmidt ym., 2011.
MOI=Mars Orbit Insertion=poltto jolla päästään planeetan kiertoradalle.
Kiertäminen Marsia on halvempi ja riskittömämpi vaihtoehto kuin pinnalle laskeutuva retkikunta, eikä ole vaaraa planeetan saastumisesta ihmisen mukanaan tuomista Maan mikrobeista. Retkikunta tutkisi pyöräajoneuvollaan melko pientä aluetta, mutta etäohjattavia luotaimia voi olla planeetan eri puolilla. Koska luotaimet voivat ottaa isompia riskejä kuin ihmiset, niitä saadaan myös hankaliin paikkoihin. Myös kanjoneita ja luolia tutkiva pieni lennokkiluotain voisi olla mahdollinen, kun luotaimen puikkoihin saadaan aito lentäjä-ässä eikä tekoäly. Marsia kiertävään kookkaaseen miehistöalukseen on helppo järjestää riittävä lähetinteho ja antennipinta-ala etäläsnäolon tarvitsemaa laajakaistaista radioyhteyttä varten.

Koska etäohjattavien robottien ei tarvitse täyttää miehitetyn avaruustoiminnan tiukkoja turvallisuusvaatimuksia, niitä voivat rakentaa myös pienet maat pienillä budjeteilla: jos laite ei toimi, kukaan ei kuole. Hankkeen ympärille voisi pystyttää Kansainvälinen geofysiikkavuosi -tyyppisen kansainvälisen Mars-vuoden. Kansainvälisenä Mars-vuonna kaikilla kynnelle kykenevillä toimijoilla olisi Marsissa luotain, jota avaruuslentäjät voivat ohjata kiertoradalta. Toki tavoite olisi että seuraavassa vaiheessa ihmiset laskeutuvat planeetalle, jos Mars-vuoden tutkimusten perusteella päädytään siihen että planeetalla ei ole elämää jota pitäisi suojella Maan mikrobeilta. Toiminnan motiivina kakkosvaiheessa olisi todennäköisesti enemmän seikkailuhenki ja aurinkokunnan asuttaminen kuin tieteellinen tutkimus.

Asteroidiveden käyttö

Laskeudutaan pinnalle tai ei, miehitettyä Mars-matkailua voi helpottaa käyttämällä välitankkauksia. Sähköpurjeilla rahdataan asteroideilta vettä tankkausasemille, joissa siitä tuotetaan vetyä ja happea. Tankkauspisteet voivat sijaita esimerkiksi matalalla Maan kiertoradalla, Maan Lagrangen pisteessä ja Marsin kiertoradalla. Myös planeetan pinnalla tarvitaan tankkausasema, jos halutaan että ihmiset vierailevat sielläkin. Maan matalalta kiertoradalta Lagrangen pisteeseen tarvittava nopeusmuutos on 3.2 km/s, Lagrangen pisteestä matalalle Marsin kiertoradalle 2.5 km/s ja Marsin pinnalta matalalle radalle noin 4 km/s kun ilmanvastus- ja painovoimahäviöt otetaan huomioon. Nämä delta-v-arviot on laskettu käyttämällä ympyrämäisiä ja samassa tasossa olevia Maan ja Marsin ratoja, joten ne ovat likimääräisiä. Tarkat luvut riippuisivat siitä minä vuonna matkalle lähdetään. Vetyä käytettäessä 3.2 km/s nopeusmuutos vastaa sitä että 50% aluksen kokonaismassasta tankkauksen jälkeen on polttoainetta.

Pitkällä matkalla Maasta Marsiin miehistöä pitää suojata säteilyltä. Vesi on tehokas säteilysuojamateriaali, joten säteilysuojana voi toimia rungon sisäinen vesilasti, joka siirretään alukseen Lagrangen pisteen tankkauspaikalla. Aluksen runko voidaan suunnitella kevyeksi, koska rungon itsensä ei tarvitse toimia säteilysuojana eikä rungon tarvitse myöskään tukea raskaan säteilysuojan painoa laukaisutärinän aikana. Tämä suunnitteluperiaate pienentää Maasta laukaistavaa massaa entisestään.

Kuinka paljon energiaa asteroidin jään muuttaminen vedyksi ja hapeksi vaatii? Veden haihduttaminen vie noin 2 MJ/kg. Esimerkiksi 2 kW lämmitysteholla vettä tulee yksi gramma sekunnissa eli 30 tonnia vuodessa. Veden hajottaminen vedyksi ja hapeksi polttoainetehtaassa ja sitä seuraava vedyn nesteytys vaativat noin kymmenkertaisen energianmäärän eli 20 MJ/kg. Jos vettä halutaan tuottaa esimerkiksi 30 tonnia vuodessa, polttoainetehtaalla tarvitaan siis noin 20 kW sähköteho. Tämän tehon tuottava aurinkopaneelisto painaa vain noin 200 kg. 30 tonnin polttoainelasti jo melkein riittää miehitetyn Mars-aluksen yhteen tankkaukseen. Polttoainetuotannon vaatima infrastruktuuri ei siis ole raskasta kalustoa, vaan jo muutamalla tonnilla päästään pitkälle. Vesi voidaan kuljettaa tankkauspaikalle tehokkaasti sähköpurjeilla. Tankkauspisteitä voi olla enemmän kuin yksi samalla radalla, jotta saavutetaan riittävä toimintavarmuus.

Ennemmin tai myöhemmin halutaan tehdä miehitetty lento Marsin pinnalle ja takaisin. Miehistöalus on joka tapauksessa melko painava, joten sellaisen laskeutuminen perinteiseen tyyliin vaatii ison lämpökilven, jonka turvallisen toiminnan varmentaminen etukäteen on hankalaa ja kallista. Jos Marsin kiertoradalla on käytettävissä asteroidiperäistä polttoainetta, laskeutuminen voitaisiin suorittaa yksinkertaisesti tekemällä kiertoradalla voimakas jarrutuspoltto, jonka jälkeen alus putoaa pystysuoraan planeetan pinnalle. Pinnan lähellä jarrutetaan uudestaan ja leijutaan raketeilla haluttuun laskeutumispaikkaan. Lämpösuojausta tarvitaan vain vähän ja laskeutumisen tarkkuus saadaan hyväksi. Tarkka laskeutuminen on tärkeää, jotta miehistö pääsee samaan paikkaan johon on toimitettu etukäteen polttoainetehdas ja muita varusteita. Kustannussyistä rahti on kuljetettu Marsin kiertoradalle sähköpurjeilla ja/tai ionimoottoreilla. Rahdin laskeutuminen voisi tapahtua yllä kuvatulla tavalla kemiallisella poltolla. Avainresurssi siihenkin on Marsin kiertoradan tankkauspiste.

Mikä polttoaine paluuseen Marsin pinnalta?

Miehistöaluksen paluuta varten se täytyy tankata Marsissa. Uusien Curiosityn tulosten mukaan Marsin pintahiekka sisältää 2-3 prosenttia kidevettä jokavapautuu jos aine lämmitetään noin 200-400 asteeseen. Käytännössä paikallisesti saatavat polttoainevaihtoehdot ovat metaani ja happi tai vety ja happi. Molempien tekemiseen tarvitaan vettä, metaanin tuotantoon myös Marsin ilmakehän hiilidioksidia. Vedyn ominaisimpulssi on suurempi ja sen tuottaminen on kemiallisesti yksinkertaisempaa kuin metaanin. Toisaalta tunnetusti nestevetyä on hankalampi käsitellä koska sen säilytyslämpötila (20 K) on matalampi kuin metaanin (110 K) tai hapen (90 K).

Nestevetyä on Marsissa helpompi käsitellä kuin Maassa. Se auttaa hieman että Mars on Maata kylmempi. Mahdollinen vetyvuoto ei aiheuta räjähdysvaaraa Marsin hapettomassa ilmakehässä. Eristämätön nestevetyputki peittyy Marsissa hiilidioksidihuurrekerroksella, mikä muodostaa luonnollisen lämpöeristeen. Maassa käy huonommin: ilmakehän happi ja typpi aluksi jäätyvät ja sitten nesteytyvät putken ympärille. Nestemäinen ilma valuu alaspäin, jolloin tiivistyminen jatkuu eikä lämpövuoto korjaannu itsestään. Pahimmassa tapauksessa nestemäinen ilma saattaa muodostaa lammikon, joka voi myöhemmin kiehuessaan aiheuttaa tulipalon koska viimeiseksi siitä haihtuva kaasu on happi. Neljäs syy on että Marsin matala ilmanpaine tehostaa lämpöeristämistä ylipäätään. Tavallinen lämpöeriste, esimerkiksi polyuretaani, toimii sitä paremmin mitä pienempi on kaasun paine, ääritapauksena on tehokas tyhjiöeriste. Tyhjiön ylläpitämiseen tarvittava jäykkä rakenne on Marsissa sata kertaa kevyempi kuin Maassa, jolloin tyhjiöeriste-elementin massa pienenee ja lämpösillat kapenevat, mikä parantaa eristävyyttä entisestään.

Nestevety näyttäisi siis suhteellisen lupaavalta vaihtoehdolta Marsissa syntetisoitavaksi paluupolttoaineeksi. Koska kyseessä on sama polttoaine jota asteroidivedestäkin saadaan, tämä saattaisi avata mahdollisuuden jopa sellaiselle alustyypille, joka tankkausten avustamana pystyy lentämään Marsin pinnalle ja takaisin miehistö mukanaan. Toisaalta saman aluksen toimiminen kaikissa rooleissa ei ole itsetarkoitus. Perusvaihtoehto varmaankin on että Marsin pinnalla on asemat jotka toimitetaan sinne etukäteen ilman miehistöä ja että edestakainen liikenne Marsin pinnan kiertoradan välillä hoidetaan erillisillä pienemmillä yhteysaluksilla. Joka tapauksessa avaintekniikkana on välitankkaukset koska niiden avulla vapaudutaan rakettiyhtälön eksponentiaalisesta luonteesta.

keskiviikko 30. toukokuuta 2012

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 9: Miehitetyt Mars-lennot

Taiteilijan näkemys miehistöstä tutkimassa Marsia (Wikipedia)
Miehitettyjä Mars-lentoja voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Joissakin suunnitelmissa miehistö oleskelutiloineen laskeutuu planeetalle kertarysäyksellä, toisissa hyötykuormia viedään planeetan pinnalle etukäteen. Vähitellen tapahtuva rakentaminen on monessa mielessä houkutteleva vaihtoehto, mutta haasteena on saada lennot laskeutumaan lähelle toisiaan, tai vaihtoehtoisesti hyötykuormia ja miehistöä pitää kuljettaa esimerkiksi pyöräajoneuvolla tai ehkäpä rakettialuksella, joka käyttää Marsin ilmakehästä ja vedestä tuotettua metaania ja happea. Jos planeetan pinnalla on toimiva kuljetuspalvelu, miehistö voi laskeuduttuaan liikkua vapaammin planeetalla ja tutkia sitä. Tällöin on ehkä myös lähempänä ajatus että oleskelu Marsissa voisi saada pysyvämmän luonteen.
Jos Marsin pinnalla on toimivat oleskelutilat ja kuljetusinfrastruktuuri, miehistöt voivat laskeutua ja nousta pienehköissä aluksissa, jotka tankataan nousua varten Marsissa tuotetulla metaanilla ja hapella. Matkaan Maasta Marsin kiertoradalle ja takaisin tarvitaan raskaampi säteilysuojattu alus, joka tankataan uudelleen Marsin kiertoradalla. Välitankkaus pienentää aluksen lähtöpainoa ja tulee mahdolliseksi, jos Phobos-kuussa on vettä tai jos sähköpurjealuksilla rahdataan asteroidien vettä Marsin kiertoradalle. Paluun jälkeen siirtoalus voidaan periaatteessa tankata uudelleen Maan kiertoradalla uutta Mars-matkaa varten. Nousu matalalta Maan kiertoradalta marginaalisesti sidotulle ellipsiradalle vaatii 3.2 km/s nopeusmuutoksen ja siirtyminen edelleen matalalle Marsia kiertävälle radalle noin 2.5 km/s lisää, jos ilmajarrutusta ei käytetä hyväksi. Itse asiassa seuraavaa Mars-matkaa ajatellen siirtoalus kannattaisi jättää korkealle Maan kiertoradalle, jossa se voidaan tankata asteroidiperäisellä polttoaineella kuten Marsissa. Miehistö saadaan Maahan joko Apollo-tyyppisellä paluukapselilla tai esimerkiksi ISS:n kautta käyttäen erillistä yhteysalusta. Tällöin siirtoalus voidaan nostaa alun perin miehittämättömänä matalalta radalta korkealle kiireettömästi sähköpropulsiolla tai se voidaan tankata nostoa varten matalalla radalla Maasta tuodulla polttoaineella (tarvittava happi voitaisiin periaatteessa kaapata yläilmakehästä). Jos polttoaineena on vety-happiyhdistelmä, 2.5 km/s manöövereitä varten tankatun aluksen massasta 43 prosenttia on oltava polttoainetta. Jos vaatimus on 3.2 km/s, polttoaineen osuus nousee 51 prosenttiin. Kumpikin massasuhde on kohtuullinen.

Välitankkaus Marsin kiertoradalla alentaa kustannuksia ratkaisevasti, sillä ilman välitankkausta siirtyminen matalalta Maan kiertoradalta Marsin kiertoradalle ja takaisin vaatisi huiman 11.4 km/s nopeusmuutoksen. Vaikka käytettäisiin termistä ydinrakettia, ajoainetta (vetyä) tarvittaisiin silti 74 prosenttia lähtöpainosta. Noin suuri vetymäärä olisi ongelmallinen, koska vedyn säilöminen vaatii enemmän oheismassaa (lämpöeristeitä ja aktiivista jäähdytystä) kuin muiden ajoaineiden. Kemiallisessa vety-happiraketissahan vedyn massahan on tyypillisesti vain seitsemäsosa polttoaineen kokonaismassasta, loput on nestehappea jonka säilöminen on vetyyn verrattuna helppoa. Itse asiassa välitankkausta käyttämällä metaaninkin ominaisimpulssi riittäisi Mars-matkailuun ja voisi olla harkinnan arvoinen vaihtoehto nestevedylle, jos Phobokselta tai asteroideilta löydetään kätevässä muodossa olevia hiiliyhdisteitä. Välitankkaus Marsin kiertoradalla antaisi samalla myös mahdollisuuden täydentää miehistön tarvitseman käyttöveden ja hengityshapen varastot paluumatkaa varten, mikä pienentäisi lähtöpainoa edelleen. Vaikka lennolla pyritäänkin kierrättämään näitä aineita, täydelliseen kiertoon ei ainakaan ISS:llä ole vielä päästy.
Sähköpurje voisi kuljettaa Marsiin huoltomoduuleita odottamaan astronautteja.
Lähde: Wikipedia/NASA
Jos vähittäiseen Mars-infrastruktuurin rakentamiseen ryhdytään, planeetan pinnalle tai kiertoradalle etukäteen vietävät hyötykuormat ovat potentiaalisia sähköpurjeen asiakkaita, kunhan yksittäisen kuorman massa eli ylitä muutamaa tonnia. Toimiakseen sähköpurje vaatii noston Maan magnetosfäärin ulkopuolelle, mutta sinne päästyään alus pystyy ottamaan kurssin haluttuun aurinkokunnan kohteeseen riippumatta planeettojen asennosta. Mikä tahansa väline joka nostaa hyötykuorman pakoradalle, Kuun kiertoradalle, Lagrangen pisteeseen tai korkealle ellipsiradalle kelpaa laukaisimeksi sähköpurjehyötykuormalle. Kantoraketin rataa ja laukaisuhetkeä ei tarvitse räätälöidä lentämään kohti Marsia, sillä riittää että radan lakipiste on riittävän korkealla niin että sähköpurje pääsee aurinkotuuleen. Jos kapasiteetti riittää, samalla kantoraketilla voidaan laukaista useita sähköpurjehyötykuormia, jotkut menossa Marsiin, toiset Jupiteriin, kolmannet asteroideille ja niin edelleen.

Kuten sähköpurje, myös sähköpropulsio (Hall-moottori tai ionimoottori) on laukaisun suhteen melko joustava, ja aloitukseen riittää periaatteessa matalakin kiertorata. Kun käytetään sähköpropulsiota, siirtyminen matalalta Maan kiertoradalta matalalle Marsin radalle vaatii 14 km/s nopeusmuutoksen. Luku on suurempi kuin kemiallisten rakettien tapauksessa, koska jatkuvan propulsion on vaikea hyödyntää niin sanottua Oberthin efektiä. Jos ominaisimpulssi on sähköpropulsiolle tyypillinen 30 km/s, 14 km/s nopeusmuutos tarkoittaa että lähtöpainosta 38 prosenttia on ajoainetta. Moottorin ominaisimpulssia kasvattamalla ajoaineen määrä pienenisi, mutta toisaalta tehontarve ja aurinkopaneelien koko kasvaisivat. Liikuttaessa sähköpropulsiolla Maasta Marsiin propulsiojärjestelmän massa siis nousee helposti puoleen kokonaismassasta, eikä tarvittavan ison aurinkopaneeliston hankintahintakaan ole vailla merkitystä. Sähköpurjeella päästään pienempään lähtöpainoon, joten sen käyttäminen näyttää järkevältä.

Vaikka kymmeniä tonneja painavan miehitetyn aluksen kuljettaminen Marsiin ja takaisin ei nyt kehitystyön kohteena olevilla sähköpurjeilla onnistukaan suoraan, voi sähköpurjetta käyttää miehitetyn Mars-toiminnan ennakkovalmisteluissa ja tukitoiminnoissa, kuten yllä nähtiin. Sähköpurje olisi erityisen tehokas veden keräämisessä asteroideilta Marsin tai Maan kiertoradalle, minkä mahdollistama välitankkaus pienentäisi miehitetyn aluksen lähtöpainoa ratkaisevasti. Pienen tauon jälkeen amerikkalaiset näyttävät taas alkaneen kehittää miehitettyjä lentoja varten uutta järeää kantorakettia, mutta välitankkausta käyttämällä pärjättäisiin ehkä nykyisillä Ariane-5:n kokoisilla kantoraketeilla.

Voisiko miehitetyn hyötykuorman kuljetus Marsiin sitten olla mahdollista sähköpurjeella joskus tulevaisuudessa? Kenties, mutta se edellyttäisi nykyisten alumiiniliekojen korvaamista paremmalla materiaalilla, kuten hiilinanoputkilla.

Pekka Janhunen

sunnuntai 13. marraskuuta 2011

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 8: Kuiperin vyöhykkeen kohteiden ohilennot

Kuiperin vyöhykkeen sijainti Aurinkokunnassa.
Kuvaan on merkitty myös New Horizons -luotaimen rata. Kuva: Nasa
Suoraviivainen sähköpurjesovellus on viskata luotain suurehkolla nopeudella ulos aurinkokunnasta. Jos tarkoituksena on ottaa lähikuva jostain Kuiperin vyöhykkeen kohteesta, vauhtia ei tarvita aivan yhtä paljon kuin IHP-luotaimessa, koska kohde on ”vain” noin 50 AU:n päässä eikä 200 AU:ssa kuten heliopausi. Luotainlennot on ainoa tapa saada tarkkaa tietoa Aurinkokunnan kaukaisemmista kohteista.

Luotainta kiihdytetään sähköpurjeella esimerkiksi Saturnukseen asti, minkä jälkeen sähköpurjeosa voidaan heittää pois. Luotaimessa on pienet rakettimoottorit ratakorjauksia varten, joita käytetään sen jälkeen kun sähköpurje on irrotettu. Alus lentää kohteen läheltä, katsoo sitä kameroilla ja muilla instrumenteilla ja tallentaa datan muistiin. Ohilennon jälkeen alus suuntaa radioantenninsa kohti Maata ja lähettää datan kaikessa rauhassa.
Taiteilijan näkemys New Horizons aluksesta Pluton yllä.
Piirros: NASA
Tämäntapaisia lentoja voitaisiin toteuttaa myös perinteisellä tekniikalla, mutta silloin matka-aika olisi hyvin pitkä tai vaihtoehtoisesti tarvittaisiin suuri kantoraketti. Nasan New Horizon matkaa Plutoon noin kahdeksassa vuodessa ja sen laukaistiin luotaimen kokoon nähden varsin isolla kantoraketilla. Kuiperin vyöhykkeelle sen matka-aika olisi noin 12 vuotta. Kuiperin vyöhykkeen kohteita on paljon joita kaikkia haluttaisiin tutkia. New Horizon -tyyppisillä luotaimilla jokaista varten tarvittaisiin iso kantoraketti ja 12 vuotta odottelua. Sähköpurje suorittaa tehtävän halvemmalla (pienemmillä kantoraketeilla, mahdollisesti useita identtisiä luotaimia yhdellä laukaisulla) ja nopeammin. Sitäpaitsi perinteinen menetelmä nojaa vauhdin ottoon Jupiterista, mistä seuraa että halutun Kuiperin vyöhykkeen kohteen saavuttamiseksi voidaan joutua odottamaan että Jupiter kiertyy sopivalle puolelle aurinkoa. Jupiterin lähiohituksen aikana luotain saa myös suuren säteilyannoksen Jupitern säteilyvyöhykkeistä. Sähköpurjetta käytettäessä kumpaakaan ongelmaa ei esiinny.

New Horizons rakenteilla NASAn laboratoriossa.
Alus pääsi matkaan tammikuussa 2006 ja Pluto saavutettaneen heinäkuussa 2015.
Kuva: NASA
Jotta luotaimet voivat toimia Kuiperin vyöhykkeen kohteen lähellä, niihin tarvitaan ydinkäyttöinen tehonlähde, vaikka itse sähköpurje pärjääkin periaatteessa pelkällä aurinkosähköllä. Toivottavasti Rossin reaktorin kehitys etenee yhtä jalkaa sähköpurjeen kanssa. Silloin sähköpurjeilla voisi lentää aurinkokunnan ulko-osiin lähes kotikonstein ilman radioaktiivisia ydinparistoja.

Pekka Janhunen

keskiviikko 24. elokuuta 2011

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

keskiviikko 30. maaliskuuta 2011

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

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

torstai 19. elokuuta 2010

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 4: Jättiläisplaneettojen ilmakehäluotaimet


Erilaisten planeettakunnan syntyteorioiden testaamisen kannalta (miten planeetat syntyvät tähteä ympäröivästä kertymäkiekosta) olisi tärkeä tietää tiettyjen melko harvinaisten alkuaineiden kuten neonin ja muiden jalokaasujen tarkat pitoisuudet erityisesti ulkoplaneetoilla. Nämä tiedot voidaan saada vain mittaamalla tarkasti aurinkokuntamme jättiläisplaneettojen ilmakehien koostumus paikan päällä. Toistaiseksi mittaus on tehty Jupiterin ilmakehälle Galileo-luotaimella vuonna 1995. Galileo-alus pudotti Jupiterin ilmakehään 340-kiloisen laskeutujaluotaimen, jonka paksu lämpökilpi oli suunniteltu kestämään valtava 48 km/s tulonopeus jättiläisplaneetan ilmakehään.

Galileon laskeutumisosa Nasan puhdastilassa. Lähde: Wikipedia
Muillekin jättiläisplaneetoille pitäisi siis lähettää ilmakehäluotaimia. Sähköpurje sopii tehtävään erinomaisesti. Maan pakoradalle laukaisemisen jälkeen sähköpurje kiihdyttää luotaimen radalle, joka vie sen kohti haluttua jättiläisplaneettaa. Hyvissä ajoin ennen saapumista planeetan lähelle sähköpurje heitetään pois, jotta ehditään tehdä tarvittavat ratakorjaukset pienillä ohjausraketeilla. Sitten luotaimesta erotetaan varsinainen laskeutuja. Laskeutuja osuu planeetan ilmakehään vinossa kulmassa emäaluksen kiitäessä vähän planeetan ohi. Laskeutujassa on Galileo-tyyppinen paksu lämpökilpi. Laskeutuja jarruuntuu ilmakehän yläosassa ja leijuu sitten laskuvarjon varassa alaspäin. Melko pian ilmakehän paine murskaa sen, mutta sitä ennen se on ehtinyt lähettää mittaustuloksensa etääntyvälle emäalukselle. Tiedot välivarastoidaan emäaluksen muistiin, mistä ne lähetetään Maahan myöhemmin.

Taulukossa on matka-aika ja laskeutujan iskeytymisnopeus ilmakehään erikokoisille hyötykuormille (laskeutujan ja emäaluksen yhteismassa), kun käytetään yhden newtonin perussähköpurjetta. Todellisuudessa massat ovat jonkin verran taulukossa annettuja pienempiä mm. aurinkotuulen epävarmuudesta johtuvan suunnittelumarginaalin takia.
Aurinkokunnan jättiläisplaneetat odottavat sähköpurjehtijaa. Planeettojen koot ovat oikeassa skaalassa toisin kuin välimatkat. Kuva: Wikipedia


Hyötykuorma
Matka-aika
Iskeytymisnopeus
Jupiter
500 kg
1.0 v
53 km/s

1000 kg
1.6 v
49 km/s

1500 kg
2.5 v
47 km/s
Saturnus
500 kg
1.7 v
37 km/s

1000 kg
2.8 v
30 km/s

1500 kg
4.6 v
27 km/s
Uranus
500 kg
3.1 v
36 km/s

1000 kg
5.3 v
25 km/s

1500 kg
9.6 v
20 km/s
Neptunus
500 kg
4.6 v
38 km/s

1000 kg
8.0 v
28 km/s

1500 kg
14.9 v
23 km/s

Hyötykuorman kasvattaminen pidentää tietenkin matka-aikaa. Toisaalta hyötykuorma on suoraan verrannollinen sähköpurjeen työntövoimaan. Siis esimerkiksi pienemmällä 0.5 N sähköpurjeella voitaisiin heittää puolen tonnin hyötykuorma Jupiteriin 1.6 vuodessa. Taulukon suurinkaan iskeytymisnopeus 53 km/s ei ole niin suuri, etteikö sen kestävää lämpökilpeä pystyttäisi rakentamaan Galileo-luotaimen oppien mukaan.
Tässä kuvassa myös välimatkat ovat oikeassa skaalassa - ne kasvavat liikuttaessa aurinkokunnassa ulospäin. Huomaa kuitenkin, etteivät koot ja välimatkat kuitenkaan ole oikeissa suhteissa toisiinsa! Lähde: Wikimedia
Kustannusten säästämiseksi voitaisiin rakentaa monta samanlaista luotainta sähköpurjeineen, jotka lähetettäisiin kaikille jättiläisplaneetoille. Saman tien kannattaisi lähettää viideskin luotain Saturnuksen Titan-kuuta varten. Tämäntyyppisissä projekteissa hyötykuorman suunnittelu- ja kehityskulut ovat suurin menoerä, joten useampien luotainkopioiden rakentaminen on taloudellisesti järkevää. Operointikulut eivät ole myöskään suuret. Jos sähköpurje toimii automaattisesti, matka-aikana ei tarvita juurikaan seurantaa. Luotaimen tieteellinen mittausvaihe ilmakehässä on lyhyt ja tietojen siirtäminen emäaluksesta Maahan on rutiinitoimenpide.

Perinteisellä menetelmällä luotaimet pitäisi toteuttaa keräämällä nopeutta useista sisäplaneettojen lähiohituksista. Sähköpurjeen etuina ovat lyhyempi matka-aika, pienempi laukaisumassa ja joka vuosi toistuva laukaisumahdollisuus. Lisäksi perinteinen menetelmä vaatii Venuksen lähiohituksia, joten alus pitää suunnitella sietämään paitsi ulkoavaruuden kylmyyttä, myös Maan rataa lämpimämpiä olosuhteita. Sähköpurjetta käytettäessä lämpösuunnittelu on helpompi tehdä, koska alus ei koskaan mene Maata lähemmäksi Aurinkoa.

"Aika on rahaa!" Lähde: Wikipedia
Matka-ajan lyhenemisestä on monenlaista suoraa ja epäsuoraa hyötyä. Esimerkiksi maatukilaitteiston tietokoneisiin saa vielä varaosia ja ohjelmistopäivityksiä kun laite lentää ja mittaa, ja laitteen rakentanut ryhmä pysyy todennäköisesti koossa ilman erityistoimenpiteitä. Myös itse laitteen suunnittelu on helpompaa ja halvempaa, koska vaadittava toiminta-aika on kohtuullinen. Roope Ankan lausahdus ”aika on rahaa” on totta myös ja eritoten avaruustutkimuksessa.

Sähköpurje ja lämpökilpi tukevat toisiaan sievästi tässä tehtävässä. Sähköpurje pystyy heittämään luotaimen nopeasti perille, vaikkei saakaan luotainta pysähtymään. Pysäyttämisen hoitaa kuitenkin lämpökilpi, eikä kilven tarvitse olla juurikaan paksumpi kuin perinteisellä nopeudella lennettäessä, koska jättiläisplaneetan vahvan vetovoiman takia luotain iskeytyy ilmakehään joka tapauksessa vauhdikkaasti.

Tieteen kannalta pitäisi mitata kaikki tai melkein kaikki jättiläisplaneetat. Kaikkien jättiläisplaneettojen tutkiminen perinteisellä menetelmällä olisi kuitenkin niin kalliista, että siihen ei varmastikaan ryhdytä paitsi jos avaruusjärjestön tiedeohjelman rahoitus kasvaa merkittävästi. Toisaalta jos mitataan vain yhden jättiläisplaneetan ilmakehää, tieteellinen anti jää pienemmäksi ja identtisten alusten rakentamisesta seuraava säästö jää saamatta. Sähköpurjetta käyttämällä kaikkien tai useimpien ulkoplaneettojen ilmakehien koostumusmittaus olisi sen sijaan realistinen tavoite nykyiselläkin tiedeohjelman rahoituksella. Tulos kertoisi mitkä nykyisistä planeettakuntien syntymalleista ovat kenties havaintojen kanssa sopusoinnussa ja mitkä eivät. Hyvä planeettakuntien syntyteoria puolestaan auttaisi meitä arvioimaan teoreettista tietä mm. mahdollisten elämälle suotuisten aurinkokuntien esiintymistiheyttä maailmankaikkeudessa.

Pekka Janhunen