Erilaisia aurinkopurjeita

Sähköpurjekolumni 12.8.2010

EU-projekti alkaa näillä näkymin lokakuun alussa. Sitä odotellessa valmistaudutaan 19-24.9. pidettävään Euroopan planeettatutkijoiden (EPSC:n) kokoukseen Roomassa. Meillä on siellä oma sähkö- ja aurinkopurjeistunto, johon on tulossa kymmenkunta esitystä. Esityksistä yksi (IKAROS) käsittelee tavallista aurinkopurjetta ja loput sähköpurjetta.

Sähköpurje ja aurinkopurje tavallaan kilpailevat keskenään, mutta toisaalta pieniä aurinkopurjeita voisi käyttää sähköpurjeen pyörimisen käynnistämiseen kylmäkaasu- ja FEEP-moottoreiden sijasta. Jokaisen sähköpurjeliean kärjessä voisi olla muutaman neliömetrin kokoinen aurinkopurje, jonka lapakulmaa muuttamalla käynnistetään liekojen pyöriminen avausvaiheessa ja joilla voidaan tarvittaessa myöhemmin muuttaa liekojen pyörimisnopeutta. Lopulta tällainen sähköpurje ei ehkä tarvitse lainkaan pääliekoja yhdistäviä vakauttavia apuliekoja, vaan jokaista pääliekaa lennettäisiin aktiivisesti aurinkopurjetta kääntelemällä. Jos aurinkopurjeen ohjausmekanismiin tulisi vika, lieka katkaistaisiin ja ammuttaisiin sivuun pienillä raketeilla. Jos rakenteessa on myös apulieat, aurinkopurjeet toimivat ryhmänä, jolloin yhden aurinkopurjeen hajoaminen ei vaadi kyseisen liean amputointia.

IKAROS on japanilainen aurinkopurjeen testimissio. Kuva: IKAROS

Aurinkopurjesiipien lapakulmien pitää olla säädettäviä. Lavan kääntöön voidaan käyttää erillisiä pieniä kääntyviä aurinkosiivekkeitä, tai osa aurinkopurjeesta voisi olla päällystetty sähköisesti ohjattavalla nestekidetummentimella, kuten japanilaisten IKAROS-purjeessa. Jotta lapakulman säätö tapahtuisi viiveettömästi, apuna voi olla pieni vauhtipyörä joka toimii impulssimomentin nopeana välivarastona. Ohjaus hoituisi pääaluksesta radioitavan liekakohtaisen suuntatiedon ja purjeessa olevan aurinkosensorin avulla.

Tällainen aurinkopurjesiipi voisi olla esimerkiksi 20-50 cm leveä ja useita metrejä pitkä kalvo, joka avataan rullalta kuten piirtoheitinkangas jonka keskipakoisvoima suoristaa. Laitetta voidaan testata maan päällä käyttämällä painovoimaa keskipakoisvoiman korvikkeena.

Sähköpurje voidaan rakentaa monella tavalla. Eri tapojen kehittäminen, arviointi ja valinta on sähköpurjeen kehitystyön ydin.

Pekka Janhunen

Youtube-video myöhemmin Ilmatieteen laitoksella suoritetusta siipaketestistä:

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 3: Lento ulos aurinkokunnasta

Sarjan aiemmissa osissa käsiteltiin plasmajarrua avaruusromun torjumiseen sekä maailman pelastamista poikkeuttamalla uhkaava asteroidi pois Maan reitiltä. Nyt esitellään IHP-luotainehdotus (Interstellar Heliopause Probe), jossa lennetään ulos aurinkokunnasta suurella nopeudella tutkimaan heliosfäärin ulkopuolella olevaa tähtienvälistä avaruutta, jonne asti aurinkotuuli ei ulotu. Siellä vastaan tuleva kaasu, plasma, kosminen säteily, magneettikenttä ja pöly ovat se varsinainen iso avaruus, Linnunradan avomeri, jossa aurinkokunnallamme on paljon tilaa vaeltaa pitkää ja yksinäistä reittiään.

Lento ulos aurinkokunnasta suurella nopeudella on se sovellus, jota varten sähköpurje alunperin kehitettiin. Jotta heliosfäärin rajan läpi (noin 200 AU:ta) päästäisiin järkevässä ajassa, pitää luotaimen loppunopeuden olla vähintään 50 km/s eli 10 AU:ta vuodessa. Näin hurjan vauhdin saavuttaminen perinteisillä keinoilla on vaikeaa. Voyager-1 viilettää 16 km/s, mikä saavutettiin koska jättiläisplaneetat sattuivat 1970-luvun lopulla olemaan samalla puolella Aurinkoa jolloin  niiden lähiohituksia voitiin käyttää nopeuden kasvattamiseen. Yksi tapa saavuttaa suurehko loppunopeus on pudottautua kohti Aurinkoa ja tehdä rakettipoltto radan lähimmässä pisteessä. Tällöin luotaimen kokonaisenergia kasvaa huomattavasti, koska liike-energia on verrannollinen nopeuden neliöön ja lähimmässä pisteessä nopeus on Auringon vetovoiman takia jo alun perin suuri. Jotta menetelmä olisi tehokas, pitää kuitenkin mennä hyvin lähelle Aurinkoa ja rakettipolton on oltava voimakas. Auringon läheisyys vaatii lämpösuojan, mikä pienentää hyötykuormaa, ja parhaat kemialliset rakettipolttoaineet ovat valitettavan herkkiä lämmölle. Auringon lähelle pääsemiseksi joudutaan ensin tekemään useita sisäplaneettojen lähiohituksia, mihin kuluu aikaa.

Voyagerit ottivat matkalla vauhtia jättiläisplaneetoilta. Kuva: Wikipedia

Pitkä kiihdytys ydinreaktorista tehonsa saavalla ionimoottorilla olisi toinen tapa päästä suureen loppunopeuteen. Jotta ajoaine riittäisi pitkään, ionimoottorin ominaisimpulssin on oltava hyvin suuri, joten moottori tarvitsee paljon sähkötehoa tuottamaansa työntövoimayksikköä kohti. Ydinreaktorin teho-painosuhde ei ole kovin hyvä, koska avaruudessa ainoa tapa säteillä ulos lämpövoimakoneen hukkalämpöä on lauhdutin. Lauhdutin ei voi olla kevyt, koska sen pinta-alan on oltava iso ja seinämien riittävän paksut jottei jäähdytysneste vuotaisi ulos meteoroidin tekemästä reiästä. Luotaimen massaa kasvattaa myös neutronisuojaseinä, joka tarvitaan reaktorin ja luotaimen elektroniikan välissä. Pyörivän turbiinigeneraattorin laakeroinnin luotettavuus pitkällä lennolla on kyseenalainen. Matka-aikaa pidentää se että kiihtyvyys on alussa pieni ja kasvaa vasta kun ionimoottorin ajoainetankki alkaa tyhjentyä. Hitaan alun takia keskinopeus matkalla 200 AU:n päähän jää matalammaksi kuin mitä loppunopeudesta voisi päätellä.

Aurinkopurje eli valopurje olisi kolmas mahdollisuus. Vuonna 2007 ESA:n CosmicVision -ohjelmaan jätetty IHP-luotainehdotus (Interstellar Heliopause Probe) sisälsi 300-metrisen aurinkopurjeen ja luotaimen kokonaismassa oli 500 kg, josta noin puolet oli aurinkopurjetta. 300-metrinen purje on aivan liian iso maan päällä avattavaksi, joten sen avausmekanismin toimivuudesta avaruudessa olisi vaikea varmistua ennen luotaimen laukaisemista.

Sähköpurjeen valttina on aurinkopurjetta suurempi teho ja parempi testattavuus. Liean kelautuminen ulos rullalta voidaan testata maan päällä tyhjiökammiossa antamalla painovoiman simuloida keskipakoisvoimaa. Kuten ei aurinkopurjetta, täysikokoista sähköpurjettakaan ei toki voida avata maassa, mutta sähköpurjeen avaaminen ja lento voidaan mallintaa melko hyvin, koska yksiulotteisten liekojen liikkuminen on helpompi mallintaa kuin valopurjeen kaksiulotteinen kalvo, joka on alussa pakattu kanisteriin taiteltuna monelle mutkalle.

Sähköpurjeella IHP-luotain voitaisiin toteuttaa esimerkiksi seuraavasti. Käytetään 60 liekaa joista kukin on 33 km pitkä. Luotaimen kokonaismassa on 170 kg, josta 70 kg on sähköpurjetta ja tehojärjestelmää ja 100 kg tieteellisiä instrumentteja ja kommunikaatiojärjestelmää, joka sisältää isohkon paraboliantennin. Tehojärjestelmä sisältää 50 watin tehoisen RTG:n (radioisotooppivirtalähteen) ja aurinkopaneelit, jotka tuottavat alussa (1 AU etäisyydellä) vähän yli kilowatin tehon. Luotain laukaistaan pakoradalle, minkä jälkeen se avaa sähköpurjeen, käyttää sitä puolitoista vuotta ja heittää sen sitten pois. Tällöin alus on Uranuksen etäisyydellä (20 AU) ja lentää matkanopeudella 75 km/s. 6.5 vuoden kuluttua lähdöstä luotain on 100 AU:n etäisyydellä eli osapuilleen siellä missä Voyager-1 on nyt ja missä aurinkotuuli päättyy terminaatioshokkiin. Heliosfäärin rajan (200 AU) luotain läpäisee 13 vuoden kuluttua lähdöstä.

Voyagerit ovat jättämässä aurinkokunnan tomuja taakseen. Kuva: Wikipedia.

Sähköpurjeella toteutettava IHP on niin kevyt, että saman tien kannattaisi lähettää kaksi tai useampia identtisiä luotaimia, esimerkiksi ensimmäiset kaksi yhdellä Soyuz-laukaisulla ja seuraava pari vähän myöhemmin. Useampi luotain pienentää epäonnistumisen riskiä ja tuottaa arvokkaita gradienttimittauksia heliosfäärin plasmasta. Luotainohjelma ei olisi sen kalliimpi kuin muutkaan ESA-missiot, koska suuresta nopeudesta seuraava kohtuullinen toiminta-aika pitää operointikulut kurissa. Koska luotain ei käytä planeettojen ohilentoja, laukaisu on mahdollinen joka vuosi.  Sähköpurjeelta vaadittava toiminta-aika on vain puolitoista vuotta. Vaikka purje lakkaisi toimimasta jo puolen vuoden päästä eli Jupiterin etäisyydellä, loppunopeus olisi silti täysin riittävä 60 km/s. Mahdollinen epäonnistuminen tiedetään siis jo muutaman kuukauden päästä ja ratadynamiikan kannalta uusi yritys voidaan tehdä viimeistään seuraavana vuonna. Tilanne on helpompi kuin jopa Mars-tutkimuksessa, jossa seuraavaa laukaisuikkunaa pitää odottaa kaksi vuotta!

Heliosfääri on magnetosfääriä muistuttava monimutkainen plasma-alue, joka ei tule kunnolla tutkituksi yhdellä tai muutamalla luotaimella. Sähköpurjetekniikalla heliosfäärin ulko-osien tutkimus ei ole enää mikään millenium-projekti, vaan tuloksien odotteluajat ja hankkeen riskit ovat samantapaisia kuin arkipäiväisissä Maata ja Marsia kartoittavissa satelliittiohjelmissa.

Pekka Janhunen

Tarvittavia tekniikoita

Sähköpurjekolumni 10.6.2010

Sähköpurjeen EU-hakemuksen neuvottelut ovat käynnissä ja projekti alkanee joskus syksyllä. Projektin tavoitteena on rakentaa prototyypit sähköpurjeen avainkomponenteista ja siinä on mukana 5 Euroopan maata ja 9 partneria. Avainkomponentteja ovat itse lieka (tavoitteena tuottaa vähintään 1 km), liekarulla kelautuvuustesteineen ja ns. etäyksikkö jollainen sijoitetaan jokaisen liean kärkeen. Liekojen kärjet yhdistetään toisiinsa muovisilla apulieoilla, mikä stabiloi rakenteen mekaanisesti niin että sähköpurjeen lennon aikana liekarullia ei tarvitse kelailla edestakaisin liekojen pituuksien hienosäätämiseksi vaan selvitään ilman liikkuvia osia. Kukin etäyksikkö sisältää rullan josta siihen kuuluva apulieka avataan sekä pienen moottorin. Näiden moottorien avulla käynnistetään liekasysteemin pyöriminen avaamisen yhteydessä ja niiden avulla voidaan myös hidastaa tai nopeuttaa liekojen pyörimistä myöhemmin, mikäli tarve vaatii. Moottori voi olla joko kylmäkaasumoottori (pieni paineistettu kaasusäiliö jonka vieressä on venttiili ja suutin) tai ns. FEEP-ionimoottori. Sekä kylmäkaasu- että FEEP-moottorien prototyypit rakennetaan tässä EU-projektissa. Näillä moottoreilla voi olla käyttöä muuallakin kuin sähköpurjeessa, esimerkiksi satelliitin asennonsäätömoottorina tai piensatelliitin päämoottorina.

FEEP periaatekuva. Lähde: Alta

Liekojen päihin tulevat, 0.3-0.5 kg painavat etäyksiköt ovat vähän kuin nanosatelliitteja itsekin, tosin toiminnoiltaan riisuttuja.

Sähköpurjeen suunnittelijan pitää tavalla tai toisella estää pyörivien liekojen osuminen toisiinsa, vaikka aurinkotuuli vaihtelee ja tönii liekoja hieman eri tavalla. Liekojen kärkiä yhdistävät ja keskipakoisvoiman kaarelle painavat apulieat ovat yksi mahdollinen ratkaisu. Toinen mahdollisuus saattaisi olla asentaa kuhunkin etäyksikköön pieni, käännettävä aurinkopurje (valopurje). Valopurjeliuskan lapakulmaa säätämällä jokaista liekaa voitaisiin "lentää" niin että se pyörii halutulla nopeudella eikä törmää naapureihinsa. Vastaavalla periaatteella toimivia, heliogyroiksi kutsuttuja valopurjeita on tutkittu laskennallisesti, mutta ei lennätetty.

Heliogyron havainnepiirros. Lähde: NASA 1967

Erilaisten toimintahäiriöiden simulointi tulee olemaan välttämätöntä ja mielenkiintoista. Tavoite on että sähköpurje voisi toipua yksittäisen etäyksikön hajoamisesta tai liean katkeamisesta.

Pekka Janhunen

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