EU rahoittamaan sähköpurjetta

Sähköpurjekolumni 7.4.2010

Sähköpurjeliekaa on tuotettu nyt yhteensä neljä metriä, mikä on uusi ennätys ja lähestyy ESTCube-1 -satelliittiin tarvittavaa kymmentä metriä. Liekatehtaan seuraavan ja taas entistä automaattisemman version suunnittelu on aloitettu ja valmistumisen tavoite on kesäkuu.

ESTCube-1 -satelliitin kehitystyö on täydessä vauhdissa. Haastavin osa on elektronitykki, joka rakennetaan Jyväskylän kiihdytinlaboratoriossa. Alunperin kaavailtu perinteinen hehkukatodiratkaisu jäi testeissä varsin kauas valmistajan ilmoittamista suoritusarvoista. Tämän takia tykkiä on nyt lähdetty kehittämään uudentyyppisen, nanografiittiin erustuvan kylmäkatodin ympärille. Jos yritys onnistuu, tuloksena on tehokas, pitkäikäinen ja muodoltaan litteä elektronitykki joka täyttää ESTCube-1:n vaatimukset. Elektronitykin tekeminen niin pieneen satelliittiin kuin ESTCube-1:een on vaikeampaa kuin oikeaan sähköpurjemissioon, koska vain kilon painoisessa ESTCube-1:ssä ei ole käytettävissä edes niitä muutamaa wattia tehoa jotka tarvittaisiin markkinoiden pienimmän katodin hehkuttamiseen.

Jos tämän uudentyyppisen elektronitykin rakentaminen ei onnistu, vaihtoehtona on yrittää kasvattaa satelliitin akusta saatavaa hetkellistä tehoa niin että perinteistä hehkukatoditykkiä voisi kaikesta huolimatta ajaa lyhyitä jaksoja kerrallaan. Jos tämäkään ei onnistu, viimeinen vaihtoehto on jättää elektronitykki kokonaan pois hyötykuormasta. Siinä tapauksessa ESTCube-1:n liekaa ajettaisiin pelkästään negatiivisella jännitteellä eli plasmajarrumoodissa.

Sähköpurjeen EU-hakemus meni läpi parhailla pisteillä. Kuva: Wikipedia

Sähköpurjeen rahoitukseen on tulossa ratkaiseva parannus, koska saimme tiedon että EU-hakemuksemme on menossa läpi, ja vieläpä koko hakuosion parhailla pisteillä. Pölyä nielemään jäävät kaikki muut eurooppalaiset avaruusluotainten ja niiden tarvitseman teknologian kehityshankkeet mm. ionimoottorit. Konsortiossamme on 5 maata ja 9 partneria. Kolmivuotisen EU-projektimme tavoitteena on rakentaa sähköpurjeen avainkomponenteista (liekatehdas, liekarullat jne.) prototyypit, jotka sopivat aurinkotuulitestimissioon ja skaalautuvat myös täysikokoiseen 1 N sähköpurjealukseen.

Sähkö- ja aurinkopurjeille on tulossa oma istunto European Planetary Science Congress (EPSC) -kokoukseen, joka pidetään 19-25. syyskuuta Roomassa.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 2: Asteroidin siirto sähköpurjetta käyttäen

Julkaistu aiemmin Avruusluotaimessa 1/2010

Esittelen tässä sähköpurjeen yhden käyttömahdollisuuden, asteroidin hinaamisesta toiselle radalle. Alla oleva posteri esitetään European Geosciences Unionin (EGU) yleiskokouksessa Wienissä 2.- 7. 5.2010.

EGUssa esitetty asteroidintorjuntaposteri.

Julisteen vasemmassa laidassa on yhteenveto asteroideista. Niitä vilisee avaruudessa paljonkin erikokoisia murikoita ja vaikka joskus tietäisimmekin kaikkien uhkaavan kokoisten asteroidien paikat ja radat, voi niihin tulla keskinäisten törmäysten vuoksi yllättäviäkin muutoksia. Pienempi kivi saattaa kovalla nopeudella isompaan asteroidiin osuessaan pahimmassa tapauksessa vääntää sen rataa niin, että se yhtäkkiä onkin kurssilla kohti maata.

Asteroidit eivät kuitenkaan ole toivottuja vierailijoita Maassa, joten on ryhdyttävä toimiin asteroidien pitämiseksi poissa lähettyviltämme! Jos aikaa ennen törmäystä on tarpeeksi, kymmenisen vuotta, ennätämme kehittää sähköpurjehinaajan ja toimittaa sen perinteisinkin menetelmin tuon Maan rauhaa uhkaavan lohkareen lähettyville. Itse sähköpurje on esitelty posterin oikeassa laidassa. Keskeisimmän paikan olen antanut yksinkertaiselle laskelmalle yhden Newtonin vetovoimaisen sähköpurjeen hinaustehosta. Kolmen miljardin kilogramman lohkareen siirtämiseksi pois vaaran alueelta tarvitaan reilut kuusi vuotta. Mutta on keinoja rakentaa tehokkaampiakin sähköpurjeita, joko kasvattamalla yhden purjeen kokoa, tai vaikka asettamalla useampia purjeita peräkkäin. Kahden nominaalipurjeen teholla murikkaa tarvitsee vetää enää neljä vuotta ennen kuin päästään turvallisemmille avaruuden alueille.

Sähköpurjevoimaa voisi skaalata ylöspäin ketjuttamalla useampia purjeita peräkkäin.

Ongelmallisinta on sähköpurjeen kiinnittäminen hinattavaan asteroidiin, joka saattaa pyöriä villisti ja olla muodoltaan hyvinkin epäsäännöllinen. Käyn läpi kaksi eri tapaa, yksinkertaisen harppunoinnin, sekä niinsanotun gravitaatiotraktorin. Traktori tarkoittaa isoa, tässä tapauksessa vajaan 30 tonnin massaa, jota roikotetaan hinausköydestä lähellä asteroidin pintaa. Tämän traktorimassan ja asteroidin keskinen painovoima välittää sähköpurjeen aiheuttaman vedon, ja niin isokin asteroidi liikahtaa. Molemmissa lähestymistavoissa on ongelmansa. Traktoria varten täytyy vaikkapa asteroidin pinnalta kerätä suuri määrä irtomurikoita tarvittavaksi massaksi. Tämän toteuttamiseen tarvitsee kehittää paljon mutkikasta tekniikkaa, jotta työ saadaan toteutettua hyvinkin kaukana Maasta ja jotta traktorin massaa voidaan onnistuneesti tasapainoittaa epästabiilissa tilassaan asteroidin ja sähköpurjeen välillä.

Gravitaatiotraktorin avulla asteroidiin A voidaan kohdistaa voima ilman mekaanisia liitäntöjä, jolloin asteroidin muodolla, pyörimisellä tai pinnan ominaisuuksilla ei ole väliä.

Sähköinen aurinkotuulipurje tarjoaa oivan vaihtoehdon asteroidien ratojen muuttamiseen, kunhan aikaa operaation toteuttamiseen on useita vuosia. Kiireellisemmissä tapauksissa joudutaan turvautumaan ydinräjähteisiin tai muihin väkivaltaisempiin tapoihin.

EGUssa posteria esittelemässä. Kuva: Mikko Syrjäsuo

Aiheesta on kirjoitettu myös tieteellinen julkaisu: Merikallio, S. and P. Janhunen, Moving an asteroid with electric solar wind sail, Astrophys. Space Sci. Trans., 6, 41-48, 2010.

Sähköpurjepuhe SGC:ssä Daejonissa Etelä-Koreassa.
Kuva: Ilji Jang

Idea myös voitti SGAC:n järjestämän "Move an Asteroid" -ideakilpailun vuonna 2009 ja esiteltiin SGC:ssä Daejonissa, Etelä-Koreassa.

Sini Merikallio

Rahoitusta kalastamassa

Sähköpurjekolumni 13.1.2010, tätä tekstiä ei ole julkaistu aiemmin

Marraskuu ja osin lokakuukin meni EU-hakemusta tehdessä. Hakemusten teko on vähän kuin kalastusta, jotkut saavat kalaa usein, toiset harvoin tai ei ollenkaan. Ohjeita ja neuvoja riittää, niiden toimivuus on toki käyttäjän vastuulla. Hakemus on tutkijan pyytö johon hän toivoo arvioijan tarttuvan. Kun hakemus on heitetty, onkijamme ei näe mitä syötin ympärillä tapahtuu. Jos koukkua katsomaan tullut arvioijakala ei ymmärrä jonkin yksityiskohdan houkuttelevuutta, ei hän ole tilaisuudessa kysymään selityksiä, vaan sylkäisee hakemuksen suustaan. Sen takia tekstin pitää olla kaunis, täydellinen ja yksityiskohtainen. Mutta jos se on iso ja kuolleen oloinen, evaluaattori kyllästyy etäältä eikä yritä nielaisua...

Kalastajia riittää rahoitusmeren rannoilla! Photo by Flickr/hijukal

Aika kaukana hakemushomma siis on tieteen tarkoituksesta eli siitä että saadaan tosiasioista uutta tietoa, vaikka hyvällä tutkimusaiheella rahan saaminen on keskimäärin helpompaa kuin huonolla.

Sähköpurje on periaatteessa tekniikkaa eikä tiedettä. Mutta tekniikka perustuu aina luonnonilmiöihin, ja luontoa ei voi pakottaa, sitä voi vain tutkia. Esimerkiksi atomipommi on varsin ihmeellinen laite ja ison insinöörityön tulos. Mutta jos luonnonlait olisivat vähän toisenlaiset, pommi saattaisi olla mahdoton eikä silloin mikään määrä insinöörityötä voisi saada sitä toimimaan. Ei autokaan kiihdy siksi että kuljettaja tahtoo painaa kaasua, vaan siksi että hiilivetymolekyyleillä on luontainen taipumus reagoida hapen kanssa eksotermisessä reaktiossa. Tässä mielessä sähköpurjekaan ei ole ihmisen aikaansaannos, vaan luonnon. Aurinkotuulen olemassaolo ja klassisen fysiikan lait (sähköoppi ja mekaniikka) mahdollistavat sähköpurjeen lennon, vaikka ihmistä toki tarvitaan laitteen rakentamisessa.

Mekaniikasta puheen ollen, olen viime aikoina ohjelmoinut sähköpurjeen avausmekaniikan simulaattoria, kun löysin hyvän reseptin siihen miten jäykän kappaleen liikeyhtälöt kannattaa ohjelmoida. Numeerinen avausmekanismin simulointi on tärkeä, koska asian kokeellinen todentaminen vaatisi pitkäaikaisen painottomuuden jollaista Maan päällä ei voi saada aikaan. Onneksi yksiulotteisten sähköpurjeliekojen mallinnus on helpompaa kuin kaksiulotteisten kalvojen, joita perinteinen säteilypaineeseen perustuva aurinkopurje tarvitsisi.

Pekka Janhunen

Avaruustoiminta mielenkiintoisessa vaiheessa

Tätä tekstiä ei ole aiemmin julkaistu.

Mitä avaruudessa kannattaa tehdä

Kun avaruuteen opittiin lentämään noin 50 vuotta sitten, eteen avautui suuri joukko mahdollisuuksia: kaupallinen hyötytoiminta, tieteelliset luotaimet ja miehitetyt avaruusseikkailut. Kaupallinen toiminta tarkoittaa kiertoradan tarjoaman näköalapaikan käyttöä Maan tarkkailuun (sää-,kartoitus-, ympäristö- ja vakoilusatelliitit) sekä tietoliikenteeseen Maan eri pisteiden välillä (satelliitti-TV, satelliittipuhelin). Tieteelliset luotaimet palvelevat aurinkokunnan tutkimusta, tähtitiedettä ja perusfysiikan tutkimusta. Ilman planeettaluotaimia saattaisimme vieläkin väitellä Marsin kanavista, tähtitiede hyötyy laitteiden saamisesta häiritsevän ilmakehän ulkopuolelle ja perusfysiikan tutkimus hyötyy painottomuudesta ja tyhjiöstä. Miehitetyt lennot ovat osoittaneet että ihminen voi säilyä hengissä ja voida suhteellisen hyvin avaruusaluksessa melko pitkiäkin aikoja, minkä jotkut näkevät ensi askeleena ihmisen leviämiselle muualle aurinkokuntaan.

Tämä kuulostaa hyvältä, mutta elektroniikan kehittymistä lukuunottamatta sovellukset ovat pysyneet samoina jo noin 40 vuotta. Avaruustoiminnan volyymi ei ole kasvanut ja hinnat ovat pysyneet korkeina.

Voisiko avaruutta hyödyntää kaupallisesti muutenkin kuin näköalapaikkana? Jos volyymi kasvaisi, kuinka paljon hinnat voisivat laskea? Voiko volyymi kasvaa, kun jo nykyisinkin on ongelmia kiertorataromun kanssa?

Aurinkovoimasatelliitit

Suurten aurinkovoimasatelliittien avulla voisi tuottaa sähköenergiaa jatkuvasti, sääriippumattomasti ja ilman kallista energian varastointia. Satelliitti tuottaa aurinkosähköä ja lähettää tehon Maassa sijaitsevaan antennikenttään mikroaalloilla. Koska mikroaaltokeila levenee matkalla, lähetin- ja vastaanottoantennien on oltava kooltaan useita kilometrejä. Tästä seuraa aurinkovoimasatelliitin luonteenomaiseksi kooksi noin yksi gigawatti. Se on energiantuotantoa varten juuri sopiva koko, mutta harmillista siinä on se että pientä aurinkovoimasatelliitin prototyyppiä ei voi rakentaa.

NASAn aurinkovoimasatelliittikonsepti vuodelta 1976 - mikroaaltoantennirakennelma on jämerää kokoluokkaa. Lähde: Wikimedia

Satelliittisähkö on yksi neljästä tunnetusta vaihtoehdosta joilla fossiilinen energia voitaisiin laajassa mitassa korvata. Muut kolme ovat fissio, fuusio ja maanpäällinen aurinkoenergia. Tiedossani ei tosiaankaan ole muita globaalisti skaalautuvia vaihtoehtoja, esimerkiksi jos harvaanasutussa Suomessa kaikki metsistä saatava puu poltettaisiin niin että paperia, sellua ja sahatavaraa ei tuotettaisi lainkaan, saataisiin katetuksi teoriassakin vain noin yksi kolmasosa energiantarpeestamme. Fissioenergia toimii, mutta jotta halkeavia isotooppeja riittäisi pitkään, sen laajamittainen käyttö edellyttää hyötöreaktoreita jotka ovat teknisesti hankalampia kuin nykyiset ydinvoimalat, eikä suuren onnettomuuden mahdollisuutta voida täysin eliminoida vaikka riski per voimala onkin pieni. Fuusioenergian kaupallisesta toimintakelpoisuudesta ei ole takeita. Maanpäällinen aurinkoenergia on mahdollista, mutta energia pitää varastoida yön ja pilvisten päivien yli sekä siirtää alueille joissa aurinko ei riittävästi paista. Energia voitaisiin muuntaa ammoniakiksi jota sitten siirreltäisiin ja poltettaisiin öljytuotteiden tapaan. Ammoniakki on myrkyllistä, mutta sen käsittely on helpompaa kuin vedyn, ja ammoniakkia siirrellään itse asiassa jo nyt suuria määriä rautateillä ja rekkaliikenteessä. Energiasisällöltään ammoniakki on noin puolet huonompaa kuin dieselöljy ja sen palamistuotteet ovat typpi ja vesi. Jos ammoniakkia tuotetaan Saharassa aurinkosähköllä, kuljetetaan tankkilaivalla Suomeen ja poltetaan voimalaitoksessa joka tuottaa sähköä, prosessin kokonaishyötysuhde ei ole kuitenkaan kovin korkea.

Aurinkovoimasatelliittien idea on että satelliitit ovat (lähes) jatkuvasti auringossa, jolloin energian varastoinnilta ja siirrolta vältytään. Maasegmentin muodostaa muutaman neliökilometrin laajuinen antennikenttä, josta saadaan jatkuvasti gigawatin teholla sähköä kuin ydinvoimalasta. Tehotiheys on valittu sellaiseksi (200 W/m²) että se ei ole vaarallinen esim. linnuille jotka lentävät keilan läpi. Antennikentän suoja-alueella ei olisi suotavaa asua, mutta varsinaisesti vaarallista siellä käyminen ei olisi. Metalliverkkomaisen antennikentän alla voisi olla jopa viljelmiä tai laitumia, koska vain noin 10% tehosta menisi hukkaan eli antennikentästä läpi. Antennikentät sijoitettaisiin vähän samoin kuin ydinvoimalat eli paikoille joilla on vähän asutusta mutta jotka ovat kohtuullisen siirtomatkan päässä kuluttajista. Sijoittelu olisi kuitenkin vapaampaa kuin ydinvoimaloissa jotka on sijoitettava vesistöjen rannalle jäähdytysveden tarpeen takia. Toimintavarmuus kriisitilanteissa on yksi satelliittisähkön eduista: jos ilmakehä peittyy pölyyn ison tulivuorenpurkauksen, asteroidin iskemän, sodan tai muun syyn takia, maanpäällisen aurinkoenergian tuotanto katkeaa, mutta aurinkovoimasatelliitin mikroaaltokeilaa pöly ei haittaa. Maanpäälliseen aurinkoenergiaan perustuvassa järjestelmässä täytyisi ylläpitää riittävän suuria ammoniakki- tai vetyvarastoja tällaisten tilanteiden varalta, tai sitten säilyttää fossiilisiin polttoaineisiin perustuva varajärjestelmä valmiustilassa.

Monikaan ei epäile etteikö aurinkovoimasatelliitteja pystyttäisi rakentamaan. Pääkysymyksiä on kaksi: voisiko satelliittisähkö olla kustannuksiltaan kilpailukykyistä ja voitaisiinko niiden rakentamiseen liittyvä kiertorataromukysymys ratkaista.

Nykyiset parhaat avaruusaurinkopaneelit tuottavat sähköä 300 W/kg, ja mikroaaltosiirtoon perustuvassa aurinkovoimasatelliitissa kokonaishyötysuhde aurinkopaneelin tasavirtaulostulosta maanpäälliseen verkkovirran tuotantoon on noin 50%. Tähän lukuun sisältyvät häviöt satelliitin sisällä, mikroaaltojen generoinnissa, lähetinantennissa, ilmakehässä, vastaanottoantennissa ja muuntamisessa vaihtovirraksi. Jos haluttaan gigawatin verran myytävää tehoa, satelliitin aurinkopaneelien pitää tuottaa 2 GW ja aurinkopaneelien massa on 6700 tonnia. Karkeasti voidaan arvioida että satelliitti painaisi kokonaisuudessaan 10,000 tonnia. Nykyisin sähkön pörssihinta vaihtelee suhdanteesta riippuen 3-6 snt/kWh ja myymällä gigawatin verran jatkuvaa tehoa saisi myyntituloa 250-500 M€ vuodessa. Jos satelliitti toimisi 30 vuotta, tuloa kertyisi 8-16 miljardia. Mitä sitten 10,000 tonnin satelliitin lähettäminen kiertoradalle maksaisi? Käypä hinta LEO-radalle on nykyään 5000 €/kg ja GEO-radalle noin kolminkertainen. Näin laskien satelliitin osien nostaminen radalleen maksaisi 150 miljardia eli 10-20 kertaa enemmän kuin mitä sähkön myyntitulo kattaisi. Lisäksi tulisivat kustannukset satelliitin osien rakentamisesta Maassa, satelliitin kokoamisesta avaruudessa, operoinnista ja maasegmentistä.

Selvästikään satelliittisähkö ei ole nykyisellään taloudellisesti kannattavaa. Konkreettisesti, yhden satelliitin osien nostaminen radalleen vaatisi noin tuhat Ariane-5 -laukaisua jotka maksavat reilut sata miljoonaa kappale. Tuhat laukaisua, tuhat kantoraketin romua makaamassa merenpohjassa. Paitsi kallista, olisiko se edes ympäristöystävällistä? Toisaalta, jos olisi olemassa lentokonemainen, uudelleenkäytettävä laukaisujärjestelmä, tuhat lentoa ei kuulostaisi vaikealta, ei tuottaisi romua ja voisi hyvinkin maksaa vain kymmenesosan nykyhinnasta. Lisäksi, satelliittien osia ei kannattaisi rahdata LEO-radalta GEO:lle nykytyyliin kantoraketin viimeisellä vaiheella, vaan uudelleenkäytettävällä hinaajalla joka vain tankattaisiin välillä tai jonka ajoaine haettaisiin asteroideilta sähköpurjeilla. Hinaaja voisi käyttää joko vettä ja elektrolyysipropulsiota tai ionimoottoria. Tällä parannuksella GEO-radalle vieminen saataisiin tekijällä 2 tai jopa 3 halvemmaksi.

Aurinkovoimasatelliittien rakenteellisia ja muitakin osia kannattaisi yrittää valmistaa asteroideilta saatavista raaka-aineista. Tällä keinolla aurinkovoimasatelliittien hintaa voi itse asiassa halventaa lähes rajattomasti. Ainakin yksi riittävän tehokas, tosin toistaiseksi kokeilematon, keino materiaalien hakuun asteroideilta tunnetaan ja se on sähköpurje. Jos asteroidi on riittävän lähellä, perinteisilläkin propulsiotekniikoilla rahtaus onnistuu. Jos Kuussa on riittävästi vettä rakettipolttoaineen valmistukseen, myös sitä voinee käyttää asteroidien sijaan raaka-aineiden lähteenä. Kuu ei kuitenkaan korvaa aurinkovoimasatelliitteja keräimien ja mikroaaltolähettimien sijoituspaikkana koska sähköä tarvitaan muulloinkin kuin kuutamolla ja koska Kuu on niin kaukana että lähetin- ja/tai vastaanottoantennien pitäisi olla hyvin suuria tai muuten mikroaaltokeila levenisi liikaa.

Jos uudelleenkäytettävä laukaisujärjestelmä laskisi laukaisuhintaa kertoimella 10 nykyisestä, jos siirto LEO:lta GEO:lle tehtäisiin uudelleenkäytettävillä hinaaja-aluksilla ja jos lisäksi sanokaamme puolet satelliitin massasta rakennettaisiin asteroidien tai Kuun raaka-aineista, laukaisuhinta putoaisi tekijällä 40. Tämän jälkeen satelliittisähkö voisi olla hinnaltaan kilpailukykyistä nykyisen ydinsähkön kanssa kun otetaan huomioon myös operointi- ja muut kulut. Energialähde olisi ympäristöystävällinen, käyttövarma, riippumaton maantieteellisistä olosuhteista ja saatavuudeltaan lähes rajaton. Siis kuten ydinenergia, mutta ilman huolta polttoaineen saatavuudesta, ydinonnettomuudesta ja ydinjätteestä.

Suunnilleen samat positiiviset attribuutit liittyvät myös fuusioenergiaan. Fuusioenergia on kuitenkin niin kehityksensä alkuvaiheessa että sen kustannuslaskelmia kaupallisessa käytössä ei oikeastaan vielä voi järkevästi tehdä. Fuusioreaktorin rakenteet altistuvat voimakkaalle neutronisäteilylle ja plasman hiukkasten pommitukselle eikä tarkasti tiedetä miten eri materiaalit siihen reagoivat. Tarkkaa tietoa tullaan saamaan vasta ITER-koevoimalasta, koska millään muulla keinolla ei vastaavaa säteily-ympäristöä pystytä simuloimaan edes pienessä mittakaavassa.

Asteroidien kaivostoiminta

Asteroideilta kannattaa käydä hakemassa vettä, josta voidaan tehdä rakettipolttoainetta, jolloin vältytään nostamasta samaa vesimäärää Maasta. Mutta onko asteroideilla mitään niin arvokasta että sitä kannattaisi tuoda Maahan?

Taiteilijan näkemys asteroidien kaivostoiminnasta vuodelta 1977, lähde: Wikimedia

On kyllä, nimittäin platinaryhmän metalleja. Koska Maa on sulanut planeetta, sen mineraalit ovat erottuneet ja platinaryhmän metallit ovat vajonneet ytimeen. Tämän vuoksi maankuoressa on paljon vähemmän näitä arvometalleja kuin maailmankaikkeudessa keskimäärin. Pienet ja keskikokoiset asteroidit eivät ole erottuneita, vaan niissä on sama alkuainekoostumus kuin maailmankaikkeudessa keskimäärin. Tämän vuoksi niissä on Maahan verrattuna varsin runsaasti platinaryhmän metalleja. Tämä on saatu selville meteoriiteista jotka ovat asteroidien sirpaleita.

Platinaryhmän metallit ovat arvokkaita, koska monille kemiallisille reaktioille ne ovat ylivoimaisen tehokkaita katalysaattoreita. Jos näitä metalleja olisi saatavilla enemmän, ajelisimme todennäköisesti jo nyt polttokennoautoilla. Jos oletetaan että asteroidilogistiikka on kunnossa eli että sähköpurje on toimiva keksintö, ratkaistavaksi ongelmaksi jää ainoastaan miten arvometallit rikastetaan riittävässä määrin niin että rikastetta kannattaa kuljettaa Maahan. Rikastusprosessin pitää olla täysin automaattinen ja toimia mikropainovoimassa. Kiviaines voidaan jauhaa mineraalirakeiksi, ja metalliset rakeet voidaan erottaa magneettisesti. Metalliset rakeet voidaan kuumentaa, jolloin platinaryhmän metallit sulavat viimeisten joukossa. Rikastus ei välttämättä ole kauhean vaikeaa ja jos se onnistuu, tuotteen myynti Maa-nimisellä planeetalla ei vaadi markkinointitaitoja. Platinarikasteen tiputtaminen ilmakehän läpi onnistuu kyllä, vaikkakin parhaan tavan löytäminen vaatii mietintää ja kokeiluja.

Uudelleenkäytettävä laukaisujärjestelmä

Sikäli kun tiedän, kaksivaiheisen uudelleenkäytettävän laukaisujärjestelmän rakentaminen olisi teknisesti mahdollista. Oma suosikkini on järjestely jossa kaksivaiheinen kylmää propaania ja nestehappea polttava rakettialus laukaistaan lentokoneesta. Jos lentokone on Airbus A380:n kokoluokkaa (ja todennäköisesti White Knight -tyyliin katamaraanityyppiä, jotta rakettialukselle on mukavasti tilaa keskellä), rakettialuksen lähtöpaino voi olla 200 tonnia ja hyötykuorma LEO-radalle päiväntasaajalaukaisussa noin 10 tonnia. Rakettialuksen ensimmäinen vaihe laskeutuu apukentälle noin 4000 km päässä ja toinen vaihe laskeutuu sinne tai suoraan lähtökentälle lennettyään kerran Maan ympäri ja jätettyään hyötykuorman avaruuteen. Laukaisun jälkeen ensimmäinen vaihe noudetaan lentokoneella apukentältä takaisin lähtökentälle. Molemmat rakettivaiheet ovat automaattisia ja lentokone voi operoida miltä tahansa siviilikentältä, koska rakettimoottorit käynnistetään vasta meren yläpuolella 10 km korkeudessa. Apukentällä ei tarvita muuta kuin riittävän pitkä ja oikean suuntainen kiitorata, pyörillä kulkeva alusta jolla rakettialus (tyhjäpaino 20 t) nostetaan lentokoneen kyytiin sekä kerosiinin tankkauspiste lentokoneen paluumatkaa varten. Operointikentällä tarvitaan normaalien toimintojen lisäksi rakettialusten huoltohalli sekä propaanin ja nestehapen varastot.

Jotta LEO-radan rahtihinta olisi nykyistä 10 kertaa halvempi eli 500 €/kg, yksi laukaisu saisi maksaa 5 M€. Tämä vaikuttaa täysin realistiselta, jopa sellaiselta että laukaisufirman toiminta voisi olla varsin tuottoisaa. Lentokoneen operointi ja polttoaineet maksavat joka tapauksessa vain murto-osan tästä, loppu jää rakettialusten huoltoon ja pääomakuluihin. Ratkaisevaa on, miten usein lennetään. Jos lento on esimerkiksi kerran viikossa, 200 insinöörin ja teknikon huoltotiimin palkkakulut ovat vain puoli miljoonaa per lento.

Tarkasti ottaen juuri tällaista laukaisujärjestelmää ei ole esitetty missään, mutta sille läheistä sukua ovat Neuvostoliiton ja Venäjän MAKS-suunnitelma ja Burt Rutanin ballistiseen hyppyyn tarkoitetut avaruusturismikoneet.

Kallista kyytiä. Lähde: Wikipedia

Kysymystä avaruussukkulan kustannuksista lienee pakko käsitellä tässä yhteydessä. Avaruussukkulastahan piti tulla halpa, mutta kävikin päinvastoin. Tärkein syy korkeisiin kustannuksiin oli se että sukkula on miehitetty. Miehistö oli pakollinen, koska 1970-luvulla elektroniikka ei ollut vielä niin kehittynyttä että automaattinen laskeutuminen kiitoradalle olisi ollut mahdollista. Miehistö myös haluttiin, koska sukkulan piti paitsi rahdata satelliitteja myös toimia yhteysaluksena ISS:lle. Jokaisella lennolla sukkulasysteemi nostaa kiertoradalle noin sadan tonnin kuorman, josta valitettavasti vain noin neljäsosa on hyötykuormaa. Miehistön läsnäolo jokaisella lennolla tarkoittaa myös että yksikään lento ei saisi epäonnistua eikä systeemin rajoja voi koetella.

Se mitä tarvitaan on uudelleenkäytettävä laukaisujärjestelmä joka tekee yhden asian hyvin, eli nostaa hyötykuorman LEO-radalle. Hyötykuorman ei tarvitse olla valtava, 10 tonnia riittää, eikä muulle kuin LEO-radalle tarvitse yltää. Jos toisen vaiheen uudelleenkäytettävyys osoittautuu vaikeaksi toteuttaa, se voi aluksi olla kertakäyttöinen. Kustannus on verrannollinen massaan, joten tärkeintä on ensimmäisen eli painavimman vaiheen uudelleenkäytettävyys.

SpaceX-firma laukaisee perinteistä kaksivaiheista kantorakettia, jonka ensimmäinen vaihe putoaa laskuvarjon varassa mereen, poimitaan sieltä ja pyritään käyttämään uudelleen. Voin olla väärässä, mutta luulisin että laskeutuminen kiitoradalle on kokonaisuuden kannalta järkevämpi vaihtoehto, koska siinä on vähemmän hallitsemattomia elementtejä jotka voisivat vahingoittaa alusta. Myös aika joka kuluu raketin etsimiseen ja nostamiseen merestä, laivaamiseen kotisatamaan, pesuun ja kuivaamiseen vähentää saavutettavaa lentotiheyttä ja aiheuttaa varsinaiselle huoltotiimille luppoaikaa.

Siirtäminen kiertoradalta toiselle

Uudelleenkäytettävä laukaisujärjestelmä jättää hyötykuorman LEO-radalle, josta se pitää normaalisti siirtää ylemmäksi. Siirtoon kannattaisi suunnitella yleiskäyttöisiä siirtoaluksia, jotka pystyvät hinaamaan hyötykuorman minne tahansa ja jotka voidaan tankata uudelleen joko Maasta tai asteroideilta tuodulla ajoaineella. Ajoaineena voisi olla vesi tai argon. Vettä voi hajottaa elektrolyyttisesti vedyksi ja hapeksi, jotka sitten poltetaan pienessä rakettimoottorissa. Näin saadaan n. 400 s ominaisimpulssi. Suurempi ominaisimpulssi saadaan jos vetyä ja happea tai suoraan vesihöyryä käyttää ionimoottorissa, joskin pintojen hapettuminen on silloin ongelma joka pitää ratkaista. Argon sopii korvaamaan perinteisen ksenonin ionimoottorissa (ksenonin ongelma on rajallinen saatavuus).

Säteilyvyöhykkeet voivat aiheuttaa avaruusaluksille ongelmia. Lähde: Wikipedia.

Mitä suurempi ominaisimpulssi, sitä vähemmän ajoainetta kuluu, mutta sitä kauemmin siirto kestää. Pitkä siirtoaika lisää pääomakuluja sekä hyötykuorman ja siirtoaluksen aurinkopaneelien saamaa säteilyannosta säteilyvyöhykkeissä, joiden läpi siirto tapahtuu. Jos säteilyvyöhykkeitä lievennettäisiin keinotekoisesti (erilaisia menetelmiä tähän on ehdotettu ja tutkittu), säteilyrasitus helpottuisi.

Kiertorataromun ongelma

Hyötykuorman nostaminen noin 1000 km korkeudelle asti voitaisiin suorittaa kokonaan ilman ajoainetta elektrodynaamisella liealla. Tämä menetelmä ei kuitenkaan skaalaudu kovin hyvin, koska pitkä ja paksu lieka muodostaa törmäysriskin muille satelliiteille ja jos se katkeaa, siitä syntyy ikävä kiertorataromu. Kiertorataromun torjunta on äärimmäisen tärkeää, koska ilman sitä meidän on turha haaveilla suurista satelliiteista.

Vuonna 2007 Kiina tuhosi koeluonteisesti yhden satelliittinsa. Kuvassa on sen rippeiden ratoja kuukausi tuhoamisen jälkeen. Lähde: Wikipedia

Kiertorataromuongelmasta päästään, jos kansainvälisesti sovitaan että noudatetaan seuraavaa neljää ohjetta:

1. Satelliitit pitää poistaa kiertoradalta tehtävän päätyttyä

2. Suunnittelussa pitää minimoida sirpaleiden synty törmäystilanteessa

3. Alusten pitää aktiivisesti väistellä tunnettua avaruusromua
   
   
4. Vanhoja romuja pitää aktiivisesti poistaa kiertoradalta

Uudelleenkäytettävät siirtoalukset pystyvät hoitamaan vanhojen romujen poiston joko ilmakehään tai törmäyskurssille Kuun kanssa. Sähköpurjeen tapainen sähköstaattinen plasmajarru käy pienehköjen satelliittien poistamiseen alle 1000 km radoilta. Sirpaleiden synty minimoituu, jos aluksen kiinteissä pinnoissa on kaksoiskuori (ns. Whipple-suojus). Kun kaksoiskuoreen törmää kappale, se tunkeutuu ulomman kuoren läpi, mutta samalla itse hajoaa ja palaset törmäävät sisempään kuoreen. Tästä aiheutuvat sirpaleet jäävät kuitenkin enimmäkseen kuorten väliin, joten kiertorataromu ei lisäänny törmäyksessä. Ohuet pinnat kuten aurinkopaneelit tuottavat vain pieniä sirpaleita, koska isompi törmääjä menee niistä läpi ja tekee reiän.

LEO-radat ovat nykyään romun kannalta pahimmat, koska niillä on eniten vanhoja satelliitteja ja koska romun radat menevät ristiin rastiin, joten törmäysnopeudet ovat suuria. GEO-radalla satelliitit puolestaan kulkevat peräkanaa samalla nopeudella. Törmäykset ovat vienoja ja niiltä vältytään kokonaan, jos kaikki satelliitit ovat ohjattavissa. Rikkimenneet, ohjauskyvyttömät satelliitit on sieltäkin poistettava. Tällä hetkellä on tapana nostaa ne hieman ylemmäs ns. hautausmaaradalle. Siellä ne kuitenkin ennen pitkää alkavat törmäillä keskenään ja tuottaa laajenevan romupilven.

Ensimmäiset aurinkovoimasatelliitit rakennetaan todennäköisesti GEO-radalle ja erilaisille MEO-radoille. Ylempänä, lähempänä Kuuta sijaitsevat radat voivat lopulta olla käyttökelpoisempia, koska niiltä Kuun painovoimahäiriöt poistavat romun niin että se enimmäkseen sinkoutuu ulos Maa-Kuu -systeemistä. Toisaalta myös satelliitteja pitää ohjata aktiivisemmin tai muuten ne sinkoutuvat samaa tietä kuin romu. Vaikka satelliitit eivät koskaan törmäisi keskenään ja kaikki vanhat satelliitit poistettaisiin aktiivisesti, jonkin verran sirpaleita syntyy meteoroidien törmätessä satelliitteihin. Näiden sirpaleiden luonteeseen ja tuottoon voidaan vaikuttaa satelliittien rakenteiden suunnittelulla. Helposti irtoavia osia, irtoavia pinnoitteita ja hauraita materiaaleja pitää välttää.

Jotta romuongelman ratkaisuun saataisiin vauhtia, vanhoista satelliiteista pitäisi maksaa tapporahaa.

Riskit

Uusia sovelluksia ovat aurinkovoimasatelliitit ja asteroidien kaivostoiminta. Aurinkovoimasatelliiteissa on tekninen riski (ehkä niitä ei saada toimimaan tai ehkä hinta on liian korkea) sekä markkinariski (ehkä niitä ei tarvita, jos maanpäälliseen aurinkoenergia, fuusioenergiaan tai fissioenergiaan ollaan tyytyväisiä tai jos keksitään jotakin aivan muuta). Asteroidien kaivostoiminnan tekninen riski liittyy lähinnä malmin automaattiseen rikastamiseen,. Kaivostoiminnan markkinariski on pieni sillä platinaryhmän metalleille lienee aina käyttöä ja on varsin varmaa että niitä ei tulla löytämään Maasta nykyistä olennaisesti enempää.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen sovelluksia, Osa 1: Sähköpurjelieka plasmajarruna – avaruusromuongelma historian romukoppaan?

Julkaistu Avaruusluotaimessa 3/2009.

Sarjassa tullaan käsittelemään sähköpurjeen sovelluksia. Jotkut sovellukset on aiemmin mainittu sähköpurjekolumneissa, osa tulee olemaan uusia. Aloitamme sarjan läheltä Maata, yksinkertaisesta lähiajan sovelluksesta joka on myös kaupallisesti mielenkiintoinen. Plasmajarru on sähköpurjeen pikkuveli joka on tarkoitettu pienehköjen satelliittien palauttamiseen ilmakehään tehtävän päätyttyä.

Pekka Janhunen kertomassa keksimänsä sähköpurjeen toimintaperiaatteesta Eestin Vooressa fysiikan syyskoulussa (Täppisteaduste Sygiskool), lokakuussa 2009. Kuva: Sini Merikallio

Aurinkotuulessa sähköpurjelieat varataan positiivisesti, jolloin ne hylkivät aurinkotuulen protoneja. Ne voisi varata myös negatiivisesti, jolloin ne vetäisivät protoneja puoleensa, mistä seuraisi samantapainen voimavaikutus koska voimavaikutuksen saamiseksi riittää häiritä protonien suoraviivaisia ratoja jollain tavalla. Negatiivisesti varatussa sähköpurjeessa on kuitenkin kaksi ongelmaa: elektronitykin sijasta pitää käyttää ionitykkiä ja jännitettä ei voi nostaa kovin korkeaksi jottei sähkökenttä repisi lieoista irti elektroneja (tarkemmin sanottuna: jännitteen suhde liean paksuuteen ei saa olla liian suuri). Negatiivisesti varatusta metallipinnasta irtoaa nimittäin elektroneja (kenttäemissio) paljon pienemmällä pintasähkökentällä kuin positiivisesti varatusta metallista voi irrota positiivisia ioneja. Ionitykki ei ole periaatteessa ongelma, mutta on kuitenkin elektronitykkiä monimutkaisempi ja kuluttaa ainetta josta ionit tehdään mikä rajoittaa toiminta-aikaa ainakin periaatteessa. Näistä syistä aurinkotuulessa lentävä sähköpurje yleensä ajatellaan positiivisesti varatuksi.

Sähköpurje ei toimi Maan magnetosfäärin sisällä missä satelliitit kiertävät, koska magneettikenttä estää aurinkotuulen pääsyn sinne. Sähköpurjeella voi  kuitenkin jarruttaa satelliitin kulkua. Prosessi riippuu paljon satelliitin ratakorkeudesta. Alle tuhannen kilometrin korkeudella ionosfäärin plasma on tiheää, jopa miljoona kertaa aurinkotuulta tiheämpää, ja magneettikenttä on voimakas. Jos tavallinen sähköpurjelieka tuodaan tällaiseen ympäristöön ja pannaan positiiviseen jännitteeseen, lieka alkaa kerätä tehokkaasti elektroneja tiheästä plasmasta. Kerätty elektronivirta kulkee pitkin liekaa, jolloin liekaan vaikuttaa magneettinen Lorentzin voima (jxB-voima) koska Maan magneettikenttä on myös melko voimakas. Tämä niinsanottu elektrodynaaminen liekaefekti (ED-liekaefekti) on sähköpurje-efektiä suurempi, paitsi jos lieka on niin lyhyt kuin ESTCube-1:ssä eli noin 10 m. ED-liekaefektin kokonaisvoima kasvaa liean pituuden neliössä kun taas sähköpurje-efekti on suoraan verrannollinen liean pituuteen.

Tilanne kuitenkin muuttuu jos sähköpurjelieka on negatiivisesti varattu. Tällöin lieka kerää virtaa paljon maltillisemmin kuin positiivisessa tapauksessa, koska ionit liikkuvat paljon hitaammin kuin elektronit. Eroa vielä kasvattaa se että ionit tässä tapauksessa ovat enimmäkseen happi-ioneja jotka ovat 16 kertaa raskaampia kuin protonit. Elektronien kenttäemissio ei ole ongelma kunhan jännite pidetään maltillisena. Jännitteen ei tarvitse tässä tapauksessa olla järin suuri koska satelliittia vastaan tulevat ionosfäärin ionit lentävät vain nopeudella 7 km/s mikä vastaa 4-5 elektronivoltin energiaa (vertailun vuoksi aurinkotuulen protonien liike-energia on 1-4 keV). Ionitykki sentään tarvitaan, vai tarvitaanko?

Ionitykkiä ei yleensä tarvita, koska tässä tapauksessa satelliitin johtava runko riittää keräämään plasmasta elektronivirran, joka kompensoi liean keräämän ionivirran. “Yleensä” tarkoittaa tässä sitä että asia riippuu satelliitin rungon johtavan osan koosta, mutta että tyypillisessä satelliitissa pinta-ala riittää varsin hyvin. Tarvitaan siis vain lieka ja jännitelähde, joka generoi satelliitin ja liean välille potentiaalieron jossa lieka on satelliittiin verrattuna negatiivinen. Satelliitti asettuu hivenen positiiviseksi ja lieka vahvasti negatiiviseksi. Maan painovoimagradientti kiristää liean.

Pienille satelliiteille (noin 100-200 kg asti) sähköpurje-efektiin perustuva plasmajarru on karkeasti noin kymmenen kertaa tehokkaampi laite kuin ED-lieka. Tehokkuusero tulee siitä että lieka on ohut koska sen ei tarvitse kantaa virtaa, ainoastaan pysyä varattuna. Lisäksi tehonkulutus on pieni koska ohut lieka ei kerää paljon virtaa. Isommilla satelliiteilla (pitempi ja/tai paksumpi lieka) plasmajarru muuttuu jatkuvalla tavalla ED-lieaksi. Erittäin tärkeä etu suhteessa ED-liekaan on se että plasmajarrulieka on niin ohut että vaikka se katkeaisi, irtonainen pää ei muodosta uhkaa muille satelliiteille. Jos lieka osuu toiseen satelliittiin, jokaisesta ~50 mikrometrin langan osumasta syntyy n. 0.5 mm leveä ja 0.1 mm syvä vakomainen kraatteri. Tällaisen naarmun ei pitäisi normaalisti haitata muita satelliitteja. Sitäpaitsi irtonainen lieanpätkä putoaa ilmakehään tyypillisesti muutamassa viikossa ilmanvastuksen takia koska sen pinta-alan ja tilavuuden suhde on hyvin suuri, mikä pienentää todennäköisyyttä että se ehtisi osua muihin satelliitteihin. ED-lieat ovat paljon paksumpia ja siten potentiaalinen sekundäärisen avaruusromun lähde.

1-3 kg kuutiosatelliitin lähettäminen maksaa noin 50,000-100,000 € ja niiden määrä lisääntyy nopeasti kun yhä pienemmät organisaatiot (tällä hetkellä isohkot yliopistot ja pienet maat, seuraavassa vaiheessa yksittäiset tutkimusryhmät, maakunnat ja yritykset) lähettävät niitä. Jossain vaiheessa cubesatien määrää joudutaan tavalla tai toisella rajoittamaan, koska niiden muodostama avaruusromuongelma on liian suuri, tai sitten ne pitää varustaa palautusmekanismilla. Palautusmekanismiksi ei käy tavallinen rakettimoottori, koska pyrotekniikka on kuutiosatelliiteissa kielletty. Kieltoon on hyvä syy, sillä jos niissä olisi sisällä rakettipolttoainetta, satelliitin rakentajan pitäisi todistaa kantorakettifirmalle (tai ottaa kallis vakuutus) että satelliitti ei voi räjähtää ja vaarantaa päähyötykuormaa (kuutiosatelliitithan laukaistaan aina piggybackinä eli isomman satelliitin oheishyötykuormana). Sähköpurjeen ideaa soveltava plasmajarru näyttäisi tarjoavan tähän lähitulevaisuuden ongelmaan ratkaisun joka on yksinkertainen, halpa, toimintavarma ja turvallinen.

ESTCube-1 tulee tämänhetkisen suunnitelman mukaan tehtävän loppupuolella demonstroimaan plasmajarrutusta ajamalla 10-metristä liekaansa negatiivisessa moodissa. Lieka on tosin niin lyhyt että sen avulla jarrutus ilmakehään asti kestää varsin pitkään, mutta ratakorkeuden aleneminen pystyttäneen silti todentamaan. On myös keskusteltu mahdollisuudesta lisätä liean pituutta jo ESTCube-1:ssä, jolloin jarrutus olisi tehokkaampaa.

Plasmajarrun, samoin kuin ED-liean, teho putoaa yli 1000 km korkeudella nopeasti koska plasmatiheys on siellä pienempi. Mutta pahin avaruusromuongelma esiintyy juuri aurinkosynkronisten naparatojen (n. 700-800 km) kohdalla, missä plasmajarru toimii erinomaisesti.

Plasmajarrun ideaa voi laajentaa ja kehitellä eteenpäin. Jos sitä haluaa soveltaa isompiin, jopa  tonnien painoisiin satelliitteihin, liekoja pitää olla useita jolloin ne pitää stabiloida pyörittämällä. Voidaan myös ajatella erityistä romuntorjuntasatelliittia, joka vaeltaa esim. ionimoottorin avulla ja käy kiinnittämässä vanhojen satelliittiromujen kylkeen plasmajarruja esim. magneetilla tai pienellä harppuunalla. Yksi plasmajarru painaa koosta riippuen ehkä 50-500 grammaa. Jos satelliitti on niin iso että se ei pala täydellisesti ilmakehässä, plasmajarrun voi varustaa paikantimella ja logiikalla joka säätää jännitettä niin että paluu ilmakehään tapahtuu halutussa paikassa esim. eteläisen Tyynenmeren yllä.

ESA on ilmaissut pyrkimyksen rahoittaa plasmajarrun lisätutkimuksia.

 Pekka Janhunen

PS. Myös URSA uutisoi aiheesta myöhemmin vuoden 2010 puolella.

Viranomaiskentän sokeassa täplässä

Sähköpurjekolumni 2.11.2009, julkaistu osana Avaruusluotaimen 3/2009 tuplakolumnia.

Kävimme Viron Vooressa viiden henkilön voimin ESTCube-1 -kokouksessa. ESTCube-1:han on Viron ensimmäinen satelliitti jonka tarkoitus on mitata sähköpurje-efekti. Itse satelliitin rakentavat virolaiset opiskelijat ja hyötykuorman pääasiassa suomalaiset. Projekti etenee aikataulussa, satelliitti pitäisi saada valmiiksi ensi vuoden loppuun mennessä jotta se voitaisiin laukaista suunnilleen vuodenvaihteessa 2011-2012. Nopea aikataulu on tarpeen jotta opiskelijaporukka ei ehdi vaihtua liikaa projektin aikana.

ESTCube-1 -projektin alussa oli valtava innostus joka on nyt muuttunut tehokkaaksi ja määrätietoiseksi toiminnaksi kohti yhteistä päämäärää. Satelliitin massabudjetti näyttää hyvältä. Tämä mahdollistaa yksinkertaisen rakenteen, standardikokoisen 10 cm kuution sisällä on viisi piirikorttia päällekkäin, joista keskimmäinen on varattu hyötykuormalle. Kuution sivuille tulee aurinkopaneelit. Lämpötilan kontrollointiin ei tarvita mitään erityistä, asia varmistetaan mallinnuksella.

Virossa ESTCube-1 -hanke on saanut paljon myönteistä julkisuutta ja virolaiset esittelivät sitä ja sähköpurjetta hiljattain myös Moskovan tiedemessuilla laajalle ja innostuneelle yleisölle. Poliittinen tahto ajaa Viroa ESA:n jäseneksi, ja Vooressa oli mukana Enterprise Estonian edutaja (vastaa Suomen Tekesiä) joka pyrkii tukemaan avaruustoimintaa ja ESTCube1:stä kaikin tavoin mm. koittamalla saada mahdollisimman paljon opiskelijoita seuraavaan IAF:n kokoukseen Prahaan. 

Kävimme pari viikkoa sitten myös Tekesissä eli Suomen virallisessa avaruusinstanssissa esittelemässä miten sähköpurjetta voisi hyödyntää kaupallisesti. Esitämme miten voimme lyhyellä tähtäimellä palauttaa satelliitteja alas helposti ja halvalla avaruusromun torjumiseksi, tuottaa nykyistä parempia avaruussääennusteita, myöhemmin hyödyntää asteroidien resursseja, jne. Tekes kuuntelee kohteliaasti ja vastaa: mielenkiintoinen ja uskottava tarina, mutta miten se heihin liittyy? Vedimme siis vesiperän, joten lähestyn sähköpostitse ESA:a, kerron satelliittien palauttamisesta ja kysyn voisiko sen tutkimista rahoittaa. Vastaus tulee tunnin päästä: kyllä, yrittävät järjestää jotakin ensi vuonna GSP-ohjelmaan.

Sähköpurje tuo selvästi näkyviin että vaikka Suomessa kansalaisten tuki avaruustoiminnalle on laajaa, on ala viranomaiskentälle sokea täplä joka ei kuulu kenellekään. Anomalian korjaamiseksi tarvitaan avaruusjärjestö eli virallinen taho jonka mandaattina on tehdä avaruustoimintaa, ja asialla on tulenpalava kiire. Kaikki Suomeen verrattavat maat ovat laittaneet asian jo kuntoon.

Pekka Janhunen

Liekojen vahvuudesta - hiilikuituinen tulevaisuus?

Sähköpurjekolumni 2.9.2009, Julkaistu Avaruusluotaimessa 3/2009.

Sähköpurjeessa on ollut edistystä usealla rintamalla. Ensimmäinen pätkä ultraäänibondattua alumiiniliekaa on valmistettu. Lankojen pinnoitustapoja on selvitetty ja on löydetty useitakin pinnoitteita joilla voidaan varmistaa etteivät alumiinilangat kylmähitsaudu toisiinsa kelalla avaruuden tyhjiössä. Sähköpurjeen mekaniikkaa eli pyörimistä avaruudessa on simuloitu entistä tarkemmin käyttäen erilaisia konstruktioita ja ohjausalgoritmeja. Ohjauksen tarkoituksena on lentää  sähköpurjetta hallitusti siten että lieat pyörivät siististi törmäämättä toisiinsa ja että työntövoima kohdistuu haluttuun suuntaan huolimatta aurinkotuulen vaihteluista. Näyttää siltä että sähköpurje voidaan rakentaa ja sen ohjaus hoitaa usealla eri tavalla. Keskeinen parametri on liekamateriaalin vetolujuus. Mitä vahvemmat lieat, sitä nopeammin niitä uskalletaan pyörittää ja sitä suurempi on liekoja jännittävä keskipakoisvoima suhteessa niitä poikkeuttavaan aurinkotuulen voimaan. Tällöin lieat heilahtelevat vain vähän ja niiden lukumäärää voidaan kasvattaa ilman pelkoa niiden koskettamisesta toisiinsa, jolloin sähköpurjeen voima voi olla suurempi. Vaihtoehtoisesti voimaa voidaan kasvattaa lisäämällä liekojen pituutta, mutta tällöinkin tarvitaan materiaalilta enemmän vetolujuutta tai muuten liekoja joudutaan paksuntamaan jolloin systeemin massa kasvaa.

Alumiininen peruspurje antaa noin yhden newtonin työntövoiman laitteen massan ollessa noin 100 kg. Tällöin sähköpurjeen elinaikanaan tuottama impulssi per massayksikkö on noin sata kertaa suurempi kuin ionimoottorilla. Laite voi viedä noin tonnin painoisen hyötykuorman annettuun osoitteeseen aurinkokunnassa ja takaisin, tai vaihtoehtoisesti sillä voi kiihdyttää pienemmän 100-200 kg kuorman 50-100 km/s loppunopeudella ulos aurinkokunnasta. Jos purjeen kokoa kasvattaa (siis enemmän tai pitempiä liekoja), työntövoima kasvaa mutta laitteen tehokkuus hiljalleen putoaa koska liekojen massa kasvaa työntövoimaa enemmän. Peruspurjeen suorituskykyä voi parantaa käyttämällä alumiinia vahvempaa liekamateriaalia, kasvattamalla liekojen jännitettä tai parantamalla ohjausrutiinia, tai kaikkia keinoja yhdessä. Parantuneen suorituskyvyn voi käyttää esimerkiksi hyötykuorman kasvattamiseen niin että matka-aika ja sähköpurjeen prosentuaalinen osuus kokonaismassasta pysyvät ennallaan. Suuretkin tehokkuuden lisäykset saattavat olla mahdollisia, koska esimerkiksi tavallinen hiilikuitu on yli kymmenen kertaa alumiinia vahvempi materiaali. Ehkä näillä keinoilla tulevaisuudessa voi kuljettaa jopa satojen tonnien kuormia planeettojen ja asteroidien välililä.

Pekka Janhunen