Ammoniakin varaan rakentuva päästötön energiatalous

Tämä ei ole avaruusaihe, mutta arvelen sen silti kiinnostavan lukijoita.

Ammoniakin varaan voisi rakentaa päästöttömän energiatalouden, jonka useimmat osat on todettu käytännössä toimiviksi jo kymmeniä vuosia sitten.

Ammoniakki NH₃ on tuttu pahanhajuinen kemikaali, mutta myös mahdollinen polttoaine. Ammoniakin polttoarvo painoyksikköä kohti on vähän alle puolet bensiinistä ja sitä käytettiin Belgiassa toisen maailmansodan aikaan linja-autoissa ja rakettipolttoaineena 1960-luvun X-15 -koekoneessa. Ammoniakin palaessa syntyy typpeä ja vesihöyryä ja sitä voidaan käyttää myös polttokennossa. Huoneenlämpötilassa ammoniakki nesteytyy kahdeksan ilmakehän paineessa ja 50 asteen helteessä ammoniakkinesteen höyrynpaine nousee 20 ilmakehään. Ammoniakki on typpilannoitteiden raaka-aine ja sitä tuotetaan noin sadasosa fossiilisten polttoaineiden volyymistä.

Ammoniakissa kolme vetyä on liittynyt typpiatomiin. Lähde: Wikipedia

Ammoniakkia tuotetaan vedystä ja ilmasta Haber-Bosch -prosessilla. Vety voidaan tuottaa joko maakaasusta jolloin syntyy hiilidioksidipäästöjä tai puhtaasti hajottamalla vettä vedyksi ja hapeksi. Puhdas menetelmä vaatii energiaa ja sitä käytettiin aikoinaan Norjassa vesivoimalan vieressä sijainneessa tehtaassa, joka tuotti suurimman osan Euroopan ammoniakista. Tällä hetkellä ammoniakkia tuotetaan pääasiassa maakaasusta.

 

Haber–Bosch-menetelmä: 1. höyryreformointi, 2. ilman lisäys, 3. CO:n hapetus, 4. CO₂ poisto, 5. ammoniakkisynteesi, 6. ammoniakin nesteytys. Lähde: Wikipedia

Tuottamalla ammoniakkia puhtaasti vedestä, ilmasta ja energiasta sen varaan voisi rakentaa päästöttömän energiatalouden. Esimerkiksi Etelä-Euroopassa tai Saharassa sijaitsevassa aurinkovoimalassa tuotettaisiin sähköä, jolla hajotettaisiin vettä vedyksi ja hapeksi. Vety ja ilma muutettaisiin ammoniakiksi Haber-Bosch -reaktorissa. Ammoniakki kuljetettaisiin tankkilaivalla tai putkea pitkin asiakkaille liikenne- ja lämmityspolttoaineeksi. Maat ylläpitäisivät omia ammoniakin varmuusvarastojaan kuten ne nykyisin varastoivat öljyä. Ammoniakin tuotantoon voi tietysti käyttää muutakin kuin aurinkosähköä, eikä sähkönsaannin tarvitse olla jatkuvaa koska ammoniakkia voi tuottaa varastoon aina kun halpaa sähköä on saatavilla.

Ajatus on samanlainen kuin niinkutsutussa vetytaloudessa, paitsi että energian kantaja-aineena on vedyn sijasta ammoniakki, jota on helpompi säilöä. Nestemäisen ammoniakin energiatiheys tilavuusyksikköä kohti on puolitoistakertainen nestevetyyn verrattuna. Käytännössä vetyä ei kuitenkaan yleensä säilötä kantorakettityyliin nesteenä 20 kelvinin lämpötilassa, vaan normaalilämpöisenä kaasuna 350-700 ilmakehän paineessa, jolloin ammoniakin energiatiheys on 2-4 kertaa parempi. Vedyn käsittely on hankalaa, koska pienet vetymolekyylit karkaavat herkästi tiivisteiden raoista, diffundoituvat monien materiaalien läpi ja voivat haurastuttaa metalleja. Korkeapaineinen vetykaasutankki on painava ja kallis. Tankin seinämien massa on verrannollinen sisällön paine-energiaan, ja vetytankin paine-energia (paine kertaa tilavuus) on kymmeniä kertoja suurempi kuin saman energian sisältävällä ammoniakkisäiliöllä.

Ammoniakki on myrkyllinen aine, toisaalta vety on räjähdysherkkää pieninäkin pitoisuuksina sekoittuessaan ilman kanssa. Ihmisen aistit eivät havaitse vetyvuotoa, kun taas ammoniakkivuodon huomaa heti hajusta. Ammoniakkia osataan käsitellä turvallisesti ja sitä kuljetetaan koko ajan suuria määriä mm. rautateillä.

Ammoniakki maksaa noin 0.4 €/kg. Erilaiset polttoarvot huomioon ottaen ammoniakkiautoilu olisi Suomessa tällä hetkellä noin tuplasti halvempaa kuin bensiiniautoilu. Tämänhetkisestä tuotantotavasta johtuen ammoniakin hinta seuraa raaka-aineena käytetyn maakaasun hintaa, itse Haber-Bosch -tuotantoprosessin osuus on melko pieni. Ammoniakki on siis taloudellinen energian kantaja-aine. Jos ammoniakki tuotettaisiin päästöttömästi aurinkoenergialla, sen hinta asettuisi tasolle joka olisi vain vähän korkeampi kuin aurinkoenergian nettohinta. Aurinkoenergian tuotantoon paikalla jossa sää on usein selkeä ei välttämättä tarvita laajoja ja kalliita aurinkokennostoja, vaan voidaan käyttää myös säteilyn kohdistamista kääntyvillä polttopeileillä pienelle alueelle.

Ensimmäinen kaupallinen aurinkotorni Solucar PS10 Espanjassa. Lähde: Wikipedia

Ammoniakkitaloudessa NH₃ siirtää aurinkoenergian ajassa ja paikassa ja muuttuu tehtävän täytettyään takaisin lähtöaineikseen vedeksi ja ilmaksi. Koska ammoniakki ei sisällä hiiltä, ketju on elollisesta luonnosta riippumaton eikä häiritse sitä.

Vaikka ammoniakkitalouden periaate on vanha ja tunnettu, jostain syystä asia tuntuu painuneen unohduksiin eikä sitä tietääkseni juuri tutkita ainakaan Suomessa. Olipa syy tähän mikä tahansa, yhtäältä riippuvuus kalliiksi käyvistä fossiilisista polttoaineista sekä toisaalta havahtuminen biopolttoaineiden ja ilmastonmuutoksen ekologisiin ja inhimillisiin haittavaikutuksiin ovat tosiasioita, joiden valossa ammoniakin käyttöä energian siirtoaineena ei kannattaisi jättää pois laskuista ainakaan ilman huolellista tutkimista.

Pekka Janhunen

Kirjoittaja on Ilmatieteen laitoksella työskentelevä fyysikko, avaruustutkija ja sähköpurjeena tunnetun aurinkotuuleen perustuvan avaruusalusten propulsiomenetelmän keksijä.

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

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