Kylmäfuusion paluu

Kylmäfuusio on fysiikassa kiistanalainen ilmiö tai ilmiöryhmä, jossa metalliin joutunut vety aiheuttaa ydinreaktioita, jotka tuottavat lämpöä ja usein myös jonkin verran säteilyä. Kylmäfuusio tuli julkisuuteen vuonna 1989 kun Fleischmann ja Pons julkaisivat tuloksia palladium-deuteriumkokeistaan. Monet yrittivät toistaa kokeen, jotkut onnistuivat ja ilmeisesti useimmat epäonnistuivat. Asetettiin komitea, joka päätyi tulokseen että kiistatonta näyttöä ilmiön puolesta ei ollut. Useimmat tutkijat asettuivat sille kannalle että kylmäfuusio ei ollut todellinen ilmiö vaan joukko mittausvirheitä. Johtopäätöstä todennäköisesti tuki se että kylmäfuusion selittäminen teoreettisesti näytti ja näyttää edelleen vaikealta.

Yksi niistä jotka 20 vuotta sitten eivät onnistuneet toistamaan Fleischmann-Pons -koetta oli italialainen insinööri ja liikemies Andrea Rossi. Hän päätteli, että ilmiö on todellinen mutta vaikeasti toistettavissa ja että palladium ja deuterium pitäisi korvata halvemmilla aineilla, jotta prosessilla olisi kaupallista merkitystä. Lisäksi elektrolyysistä eli veden läsnäolosta pitäisi päästä eroon, koska muuten tuotettu lämpö olisi liian haaleaa soveltuakseen järkevästi sähköntuotantoon. Rossi korvasi palladiumin sen sukulaisaineella nikkelillä, deuteriumin tavallisella vedyllä ja elektrolyysin paineistetulla vetykaasulla. Maksimoidakseen pinta-alan hän käytti hienoa nikkelijauhetta, koska useimmissa kylmäfuusiokokeissa reaktio näytti tapahtuvan metallipinnan lähellä. Kylmäfuusion jälkeen otetuissa elektronimikroskooppikuvissa näkyykin usein metallipintaan tulleita pieniä kraattereita, joissa metalli on paikallisesti sulanut, ja kraatterien poksahtelua on myös onnistuttu kuulemaan akustisella mikrofonilla. Kraattereista löydetään tyypillisesti myös pieniä määriä alkuperäiselle näytteelle vieraita alkuaineita, mikä on yksi todiste ydinreaktioista.

Andrea Rossi keksintönsä vierellä.

Rossi rupesi kokeilemaan missä olosuhteissa nikkeli-vetyfuusio voisi syttyä mm. erilaisilla kemiallisilla lisäaineilla. Ilmeisesti tuhansien kokeiden jälkeen hän lopulta pääsi haluamaansa tulokseen: reaktio käynnistyi melko luotettavasti ja oli niin voimakas että nikkelijauhe suli ellei lämpöä johtanut tehokkaasti pois. Reaktio jatkui päiväkausia, ilmeisesti lopulta yli puoli vuotta. Ainakin toistaiseksi sitä tosin täytyy pitää yllä tuomalla aika ajoin reaktoriin pienehkö määrä lisälämpöä sähkövastuksella.

Useat professorit, tutkijat ja muutama toimittaja ovat nähneet Rossin E-cat -laitteet toiminnassa. Joissakin esittelyissään Rossi on myös antanut heidän tehdä omia mittauksiaan tuotetusta lämpömäärästä sekä gammasäteilystä, jota laite jonkin verran tuottaa jos sen lyijykuoret poistetaan. Järeimmässä demonstraatiossa 28.10.2011 oli sata rekkakonttiin asennettua E-catia, jotka tuottivat yhteensä 500 kW lämpötehon. Kaikkiaan Rossi on demonstroinut laitteitaan kymmenkunta kertaa erilaisille yleisöille.

Voisivatko Rossin demonstraatiot olla huijausta? Erilaisia huijausspekulaatioita on Internet väärällään, mutta asiaan perehtymisen jälkeen johtopäätökseni on, että huijausteoriat eivät ole uskottavia vaan reaktori toimii ainakin likimain väitetyllä tavalla. Rossista riippumatta myös Francesco Piantelli on saanut nikkeli-vetyfuusion toimimaan jo 1990-luvulla, mutta ei ilmeisesti ole yhtä pitkällä kaupallistamisessa. Kylmäfuusiota ei osata selittää teoreettisesti, mutta se ei ole kiinteän olomuodon fysiikassa uutta: esimerkiksi suprajohtavuus löydettiin kokeellisesti 1911 ja selitettiin vasta 1957 (välissä piti keksiä mm. kvanttimekaniikka), eikä niin sanottua korkean lämpötilan suprajohtavuutta osata selittää kunnolla vieläkään.

Kreikkalaisen Defkalion-yrityksen oli määrä kaupallistaa Rossin tekniikka, mutta elokuussa 2011 osapuolet riitaantuivat ja nykyään Defkalion ja Rossi ovat kilpailijoita. Defkalion ei ole antanut kuvata laitteitaan, mutta on julkaissut niistä parikymmentä sivua teknisiä tietoja. Defkalion julkaisi 23.1 2012 tiedotteen, jonka mukaan halukkaat tutkimuslaitokset ja yritykset ovat tervetulleita Ateenaan ajamaan Hyperion-reaktoria 48+48 tunnin testissä ja julkaisemaan saamansa testitulokset vapaasti. Rossi puolestaan kertoo suunnittelevansa automatisoitua tehdasta, jonka pitäisi käynnistyä 2012 lopulla ja joka tuottaa vuodessa miljoona kotikäyttöön tarkoitettua 10 kW laitetta 400 € vähittäishintaan. Rossin reaktorin ohjausjärjestelmän tekee LabView-ohjelmistosta tunnettu National Instruments, joka vahvisti tiedon 10.11 2011.

E-catin kaupallistettu versio voisi näyttää tältä. Kuva: Leonardo

Vaikka joukkotiedotusvälineet ovat olleet asiasta melko hiljaa, näyttää siltä että Andrea Rossi on tehnyt jättiläismäisen keksinnön: hän on kehittänyt kätevän jokamiehen ydinreaktorin, joka ei käytä eikä tuota radioaktiivisia aineita ja on halpa valmistaa. Ensimmäisen sukupolven Rossin laitteet tuottavat vain lämpöä ja tarvitsevat siihen jonkin verran sähköä, mutta toisen sukupolven laitteet tuottavat jo sähköä ja lämpöä itsenäisesti. Laitteet ovat halpoja ja niistä voi rakentaa täydellisen LVIS-järjestelmän, joka tuottaa lämmityksen, lämpimän käyttöveden, ilmastoinnin ja sähkön. Puolen vuoden käytön jälkeen reaktoreihin pitää lisätä nikkelijauhetta ja vetyä, Rossin asiakkaat voivat tehdä sen itse 10 € hintaisella vaihtokasetilla. Rossi lupaa reaktorille 20 vuoden käyttöiän. Kotien lisäksi kylmäfuusioreaktorit tulevat laivojen konehuoneisiin ja rautateille, joiden sähköistys jää tarpeettomaksi, kuten ehkä muukin sähkönsiirtoverkko. Henkilöautosovellusta pitää odottaa noin 10 vuotta (Rossin arvio), ja sen jälkeen on varmaankin lentokoneiden vuoro. Kylmäfuusiolentokoneen toimintasäde on rajaton, joten ei tarvita erikseen pitkien ja lyhyiden matkojen koneita.

Nykyiset energiantuotantotavat jäävät tarpeettomiksi, tosin öljyä käytetään vielä melko pitkään mm. muovien ja asfaltin valmistukseen. Vesivoimalat voidaan purkaa ja joet ennallistaa, jolloin Kemijoesta voi jälleen tulla Euroopan suurin lohijoki. Kasvihuoneviljely lisääntyy Pohjolassa, ja Pohjois-Afrikan ja Arabian niemimaan rannikkoalueet saadaan keinokastelulla viljaviksi erottamalla suola merivedestä. Viljely keinovalon avulla pilvenpiirtäjien sisällä saattaisi tehdä suurkaupungeista ravinnon suhteen osittain omavaraisia. Paljon energiaa vaativien, mutta muuten helposti saatavien raaka-aineiden käyttö tulisi kannattavaksi, esimerkiksi tavallinen graniitti on pääasiassa piitä ja alumiinia, jotka ovat hyviä rakennemateriaaleja. Tulevaisuuden kaivostoiminnan etiikka saattaa olla samantapainen kuin paimentolaiskansojen suhde eläimiinsä: kun kivi ”tapetaan”, se käytetään hyödyksi kokonaan. Tällöin ei tarvita enää paljonkaan perinteisiä kaivoksia, vaan raaka-aineet otetaan siitä maaperästä, jonka päällä toimitaan. Harvinaisia alkuaineita saatetaan tuottaa kylmäfuusion sivutuotteena tapahtuvan ydinten transmutaation kautta. Nikkeliä eli Rossin reaktorin ydinpolttoainetta tarvitaan, mutta kun Talvivaaran kaivos joskus ehtyy, niin 200-kilometrisellä metalliasteroidi Psychellä riittää nikkeliä miljardeiksi vuosiksi.

Konseptipiirros fuusioraketista saapumassa Marsiin. Kuva: Wikipedia

Kylmäfuusiokantorakettien rakentaminen lienee vaikeaa, koska tarvittava lämpötila on korkea ja tehotiheys suuri, mutta NASA:n tulevaisuusvisioissa sellaisiakin esiintyy. Kylmäfuusio tuntuisi ratkaisevan useimmat ongelmamme, mutta ei sitä että maapallo on rajallinen ja sen asukkaat riitaisia ja liialliseen lisääntymiseen taipuvaisia. Planeetan rajallisuuteen ainoa ratkaisu on avaruus, ja sinne katseet tulevat kääntymään, kunhan tietoisuus Rossin keksinnöstä saavuttaa laajemmat kansankerrokset. Riippumatta siitä miten vankasti asiaan tässä vaiheessa uskoo, jokainen voi yhteiskunnassa toimia siihen suuntaan että keksinnön oikeaksi osoittaminen ja käyttöönotto tapahtuisi rauhanomaisesti, mahdolliset ongelmat järkevästi huomioiden sekä viivytyksiä ja ylilyöntejä välttäen.

Pekka Janhunen

Aurinkotuulitestimission suunnittelua

Sähköpurjekolumni 14.11.2011

Suunnittelemme sähköpurjeen aurinkotuulitestimissiota. Kuudenkymmenen kilogramman painoinen 60x60x71 cm kokoinen satelliitti laukaistaan esimerkiksi Arianen tai Souyzin oheishyötykuormana GTO-radalle, josta radan lakipiste nostetaan Hall-moottorilla puoleen Kuun etäisyyteen eli aurinkotuuleen. Satelliitista avataan neljä kilometrin mittaista ohutta liekaa. Liekojen päissä on parin gramman painoinen massa, johon keskipakoisvoima tarttuu avaamisen alussa suoristaen liean. Etäyksiköitä tai apuliekoja ei käytetä, koska testimission lieat ovat riittävän "lyhyitä" ja keveitä, jotta systeemi pysyy dynaamisesti vakaana ilman niitä. Vakauskriteeri on että jos yksi lieoista poistetaan, jäljelläolevan systeemin (satelliitti ja kolme liekaa) massakeskipisteen täytyy pysyä reilusti satelliitin seinämien sisäpuolella. Koska lieka pyrkii asettumaan säteittäisesti massakeskipisteestä poispäin, tällöin lieat pysyvät ojennuksessa eivätkä törmää toisiinsa tai hankaa satelliitin kuorta vasten, vaikka osa niistä katkeaisi.

Altan Hall-moottori testiajossa. Kuva: Sini Merikallio

Käytämme radan kohottamiseen Hall-moottoria. Jos käytettäisiin kemiallista rakettia, pitäisi todistaa laukaisufirmalle että raketti ei syty vahingossa ja tuhoa miljardien arvoista päähyötykuormaa. Hall-moottorissa vaaraa ei ole koska ajoaineena on jalokaasu ksenon.

Haemme rahoitusta testimission rakentamiseen EU:lta. Kustannusarvio on kaksi miljoonaa ilman laukaisua. Satelliitin rakentaa pääosin italialainen Alta-firma ja lento on samalla Altan Hall-moottorin lentotesti. Varmuuden vuoksi Hall-moottoreita on mukana kaksi, ja jos kumpikaan ei toimisi, pahin mitä tapahtuu on että jäämme GTO-radalle. Voimme sielläkin avata lieat, varata ne ja todeta että näemme kärkimassat kameroilla. Toki emme silloin pääse mittaamaan sähköpurje-efektiä oikeassa plasmaympäristössä eli aurinkotuulessa, mutta seuraavaa kertaa varten tiedämme että kaikki muu jo toimii. Käytännössä vaara molempien moottoreiden täydellisestä pettämisestä on melko teoreettinen.

Pekka Janhunen ja Petri Toivanen tutustumassa Altan Hall-moottoreiden
testaukseen Pisassa, Italiassa. Kuva: Sini Merikallio

Lopuksi vähän Rossin reaktorista. Lokakuun lopulla Andrea Rossi myi ensimmäisen 1 MW fuusioreaktorin amerikkalaiselle asiakkaalle, joka ei halua N:llä alkavaa nimeään julkisuuteen. Reaktorin käyttöönottotestissä paikalla olleiden toimittajien mukaan testimittaukset suoritti asiakasorganisaation palkkaama ryhmä. Muutkin yhteisöasiakkaat voivat nyt ostaa rekkakonttiin rakennettuja reaktoreita. Hinta on 2 miljoonaa, toimitusaika 3 kuukautta, latausväli puoli vuotta, takuu 2 vuotta ja suunniteltu toiminta-aika 20 vuotta. Toimiakseen laite vaatii sähkötehon joka on kuudesosa tuotetusta 1 MW lämpötehosta. Vaihtoehtoisesti laitteen voinee myös konfiguroida toimimaan ilman sähkötehoa, jos tyytyy pienempään lämpötehoon. Asiakas saa testata tuotteen ja kauppa peruuntuu jos ja vain jos testi ei mene läpi. Pienempiäkin kokoonpanoja Rossi saattaa suostua myymään, ei kuitenkaan alle 100 kW tehoisia. Halvimmillaan voisi siis päästä toteamaan nikkelifuusion toimimisen parinsadan tuhannen euron sijoituksella, ilman riskiä että tulee huijatuksi. Laitetta ei saa jälleenmyydä eikä avata, joten sen toimintaperiaatetta ei voi tutkia.

Kuva vuodelta 2013.

Myynnissä on siis suuria ja ilmeisesti toimivia energiantuotantolaitteita, joiden toimintaperiaatetta tiede ei tunne.

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 8: Kuiperin vyöhykkeen kohteiden ohilennot

Kuiperin vyöhykkeen sijainti Aurinkokunnassa.
Kuvaan on merkitty myös New Horizons -luotaimen rata. Kuva: Nasa

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

Luotainta kiihdytetään sähköpurjeella esimerkiksi Saturnukseen asti, minkä jälkeen sähköpurjeosa voidaan heittää pois. Luotaimessa on pienet rakettimoottorit ratakorjauksia varten, joita käytetään sen jälkeen kun sähköpurje on irrotettu. Alus lentää kohteen läheltä, katsoo sitä kameroilla ja muilla instrumenteilla ja tallentaa datan muistiin. Ohilennon jälkeen alus suuntaa radioantenninsa kohti Maata ja lähettää datan kaikessa rauhassa.

Taiteilijan näkemys New Horizons aluksesta Pluton yllä.
Piirros: NASA

Tämäntapaisia lentoja voitaisiin toteuttaa myös perinteisellä tekniikalla, mutta silloin matka-aika olisi hyvin pitkä tai vaihtoehtoisesti tarvittaisiin suuri kantoraketti. Nasan New Horizon matkaa Plutoon noin kahdeksassa vuodessa ja sen laukaistiin luotaimen kokoon nähden varsin isolla kantoraketilla. Kuiperin vyöhykkeelle sen matka-aika olisi noin 12 vuotta. Kuiperin vyöhykkeen kohteita on paljon joita kaikkia haluttaisiin tutkia. New Horizon -tyyppisillä luotaimilla jokaista varten tarvittaisiin iso kantoraketti ja 12 vuotta odottelua. Sähköpurje suorittaa tehtävän halvemmalla (pienemmillä kantoraketeilla, mahdollisesti useita identtisiä luotaimia yhdellä laukaisulla) ja nopeammin. Sitäpaitsi perinteinen menetelmä nojaa vauhdin ottoon Jupiterista, mistä seuraa että halutun Kuiperin vyöhykkeen kohteen saavuttamiseksi voidaan joutua odottamaan että Jupiter kiertyy sopivalle puolelle aurinkoa. Jupiterin lähiohituksen aikana luotain saa myös suuren säteilyannoksen Jupitern säteilyvyöhykkeistä. Sähköpurjetta käytettäessä kumpaakaan ongelmaa ei esiinny.

New Horizons rakenteilla NASAn laboratoriossa.
Alus pääsi matkaan tammikuussa 2006 ja Pluto saavutettaneen heinäkuussa 2015.
Kuva: NASA

Jotta luotaimet voivat toimia Kuiperin vyöhykkeen kohteen lähellä, niihin tarvitaan ydinkäyttöinen tehonlähde, vaikka itse sähköpurje pärjääkin periaatteessa pelkällä aurinkosähköllä. Toivottavasti Rossin reaktorin kehitys etenee yhtä jalkaa sähköpurjeen kanssa. Silloin sähköpurjeilla voisi lentää aurinkokunnan ulko-osiin lähes kotikonstein ilman radioaktiivisia ydinparistoja.

Pekka Janhunen

EPSC-DPS 2011 - kuvia ja postereita.

Yli 1500 avaruustieteilijää kokoontui Ranskan Nantesiin EPSC:n (European Planetary Science Congress) ja DPS:n (Meeting Of The Division For Planetary Sciences) yhdistettyyn kokoukseen. Myös sähköpurje oli hyvin edustettuna kolmella posterilla. Yleisen projektiposterin lisäksi esiteltiin kaksi käyttökohdetta: jättiläisplaneettaluotaimet, sekä asteroidivyöhykkeen kiertoajelu.

Pekka Janhunen vastaa kiperiin kysymyksiin sähköpurjeposterin äärellä.

Pekka kertomassa sähköpurjeen mahdollisuuksista Mark Pricelle (Kentin yliopisto).

Posterisessioissa oli tiivis tunnelma:
 

Nantes oli mukava historiallinen kokouskaupunki. Kuvassa Nantesin linnanpihaa:

Lisää kokouksesta ottamiani kuvia löydät Flickeristä.

Sini Merikallio

ESTCube-1 workshop Vooressa 30.10 - 1.11.2009; Täppisteaduste Sygiskool

ESTCube-1 joukkue: takarivissä Toomas Vahter, Henri Seppänen, Jouni Envall, Paul Liias, Ramon Rantsus, Pekka Janhunen, Tanel Ainla, Sven-Erik Mändmaa, Endel Solo, Urmas Uska, Tavo Ani, Erik Kulu, Jaan Viru, Indrek Sünter ja Tõnis Eenmäe. eturivissä: Petri Toivanen, Jouni Polkko, Sini Merikallio, Olaf Krömer, Urmas Kvell, Mart Noorma, Agnes Bauchman, Ilmar Ansko

Lokakuun lopulla kokoontui Eestin Vooreen reilu viisikymmentä opiskelijaa, joista kymmenkunta kuului ESTCube-1:n tiimiin. ESTCube-1 on Viron ensimmäinen satelliitti, jonka hyötykuormana on sähköpurjeen testi, sekin ensimmäinen laatuaan.

Pekka Janhunen luennoimassa.

Tämä ESTCuben vaihe A:n katselmus alkoi itse keksijä Pekka Janhusen esitelmällä, jonka aikana sähköpurjeen toiminta selvitettiin perusteellisesti. Tämän jälkeen käytiin alijärjestelmät, niiden ongelmat ja status läpi: riittääkö virtaa, mitä jännitteitä tarvitaan, miten lieka oikein pakataan kelalle, entä mistä kohtaa satelliitin seinämää se kelautuu ulos ja osuuko se nyt varmasti kameran linssin eteen?

Jaan Virun ryhmä on selvittänyt avaruusolojen vaikutusta satelliittiin.

Idearikkaat opiskelijat vievät projektia innolla kohti laukaisua. Samalla kun sähköpurje-efekti tulee mitattua, saadaan koulutettua Eestiin koko joukko valmiimpia avaruusinsinöörejä ja tiedemiehiä, joilla tulee olemaan jo valmistuessaan yksi toivottavasti onnistunut satelliittimissio takana.

Keskustelu oli vilkasta myös varsinaisen kokouksen ulkopuolella.

Vilkasta keskustelua vielä paluumatkalla Suomalaisen tiimin kesken herätti mikrometeoriittiuhka ja siihen valmistautuminen. Ideoitiin myös liean päähän maalattavaa Viron lippua, josta voitaisiin uloskelattaessa ottaa kuvia.

Sini Merikallio

Andrea Rossin reaktori

Sähköpurjekolumni 2.9.2011

Keksinnöt muuttavat maailmaa, eikä vain Edisonin aikaan. Italialainen insinööri Andrea Rossi kertoo rakenteensa laitteen ("Energy Catalyser", E-cat), joka tuottaa energiaa jonkinlaisella ydinreaktiolla saasteettomasti, skaalautuvasti, turvallisesti, rajattomasti ja halvalla. Hänen laitteensa on suojuksineen kahvinkeittimen kokoinen ja tuottaa lämpöenergiaa 4 kilowatin teholla. Polttoaineina ovat nanokokoinen nikkelijauhe ja vetykaasu, jotka näyttäisivät fuusioituvan reaktorissa hiljalleen kupariksi. Noinkohan sentään on?

Andrea Rossi myöhemmin 43 E-Catista koostuvan 1 MW.n yksikön keskellä.
Kuva: Focus.it

Keväällä kaksi uppsalalaista fysiikan professoria saapui tutkimaan E-catia Bolognaan. Laitetta ajettiin testissä 18 tunnin ajan ja fyysikot saivat tutkia sitä ja sen ympäristöä. Ainoastaan itse reaktoria ei liikesalaisuuteen vedoten avattu. Kokeen aikana E-cat tuotti kokoonsa nähden paljon enemmän energiaa (keittämällä saavikaupalla vettä) kuin mikään kemiallinen reaktio voi selittää. Professorit päättelivät että laitteen sisällä tapahtuu näin ollen jonkinlainen ydinreaktio. Brian Josephson (tunnettu Josephsonin liitoksesta) toteaa youtube-videossaan, että koska huijauksen mahdollisuus näyttää olevan suljettu pois, E-cat on ilmeisesti aito keksintö.

Jos Rossin keksintö on todellinen, niin veikkaisin että taustalla saattaa kummitella tavalla tai toisella Bose-Einstein-kondensoituminen, eli sama ilmiö johon perustuvat suprajohteet ja supranesteet. Suprajohteessa kondensoituminen poistaa elektronien ja atomien väliset törmäkset, jolloin sähkönvastus häviää täydellisesti. Ehkä E-catissa jonkin hiukkaspopulaation kondensoituminen atomiryppäässä efektiivisesti poistaa yksittäisten ytimien välisen Coulombin repulsion, jolloin fuusio tulee mahdolliseksi. Rossin reaktorin väitetty fuusio ei voi koostua perinteisistä yksittäistapahtumista (Ni + H -> Cu + energiaa), koska mittauksissa ei näy radioaktiivista säteilyä laatikon ulkopuolella. Tämä viittaa hiukkasten kollektiiviseen käyttäytymiseen. Keksijän mukaan energia vapautuu pehmeänä gammasäteilynä, jonka hän absorboi 2 cm paksuiseen lyijykerrokseen. Reaktorin sisältä mitattua gammaspektriä keksijä ei anna julkisuuteen, koska se paljastaisi salaisen katalyytin.

Rubidiumatomikaasun Bosen-Einsteinin kondensaatin nopeusjakauma.
Kuva: Wikipedia

Kuinka näin dramaattinen kylmäfuusioilmiö olisi voinut jäädä huomaamatta? Miksi luonto ei käytä sitä, miksi esimerkiksi Jupiteriin putoava rautanikkeliasteroidi (tai Jupiterin ydin) ei reagoi planeetan vedyn kanssa? Ehkä niin käykin, mutta reaktio pysähtyy viimeistään kun saavutetaan nikkelin sulamispiste. Lisäksi nikkelin on oltava nanopulverimuodossa ja läsnä pitää olla katalyyttiä. Toisaalta reaktio ei voi tapahtua pienellä planeetalla tai asteroidilla, koska vetykaasua on vain jättiläisplaneetoilla. Luonnon muovaamaa Rossin reaktoria ei näytä olevan olemassa.

Rossi ilmoittaa, että lokakuussa käynnistyy yhden megawatin tehoinen esittelyvoimala, jossa toimii rinnakkain 300 E-catia. Keksintö voi mullistaa mm. fysiikan, tekniikan, teollisuuden, talouden ja geopolitiikan. Koska laite on pieni, halpa ja sarjatuotantoon sopiva, muutos voi olla nopea ja alkaa tämän vuoden aikana. Ehkä muutaman vuoden päästä markkinoilla häärii ja voittoja käärii yhtiö, jonka pörssiarvo on satatuhatta miljardia.

Avaruusasioihin ja sähköpurjesovelluksiin E-catin vaikutus olisi vähemmän dramaattinen. Aurinkovoimasatelliittien kaavailu kävisi tarpeettomaksi, mutta toisaalta E-cat voisi korvata RTG:t luotaimissa ja siten lisätä lentoja aurinkokunnan ulko-osiin. Rakettitekniikkaan ja kiertoradalle nousemiseen keksinnöllä ei olisi vaikutusta.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 7: Merkuriukseen 9 kuukaudessa ja takaisin

Merkurius Messengerin kuvaamana 6.10.2008.
Lähde: Wikimedia

Perussähköpurje tuottaa 1 N työntövoiman 1 AU:n etäisyydellä, ja voima skaalautuu kääntäen verrannollisena etäisyyteen Auringosta. Perussähköpurjeen massa on 100-200 kg, joten se tuottaa 1 mm/s² kiihtyvyyden tonnin painoiselle kokonaismassalle, eli sähköpurjeen lisäksi 800-900 kg hyötykuormalle. Kiihtyvyys 1 mm/s² riittää matkaamiseen lähes mihin tahansa aurinkokunnan kohteeseen kohtuullisessa ajassa, esimerkiksi Jupiter 1.6, Saturnus 2.8, Uranus 5.3 ja Neptunus 8 vuodessa. Jättiläisplaneettojen tapauksessa alus heitetään sähköpurjeella ulos sisäaurinkokunnasta ja jätetään planeetan kiertoradalle pienellä kemiallisella jarrutuspoltolla, joka tehdään mahdollisimman lähellä planeettaa. Taustalla on ratadynamiikan Oberthin efekti, joka tehostaa lyhyen rakettipolton vaikutusta, jos poltto tehdään lähellä painavaa taivaankappaletta. Jos jättiläisplaneetan kiertoradalle pitäisi päästä pelkällä sähköpurjeella ilman kemiallista jarrutuspolttoa, matka-aika olisi huomattavasti pitempi. Samat lait koskevat muitakin heikon voiman propulsiomenetelmiä, kuten ionimoottoreita ja valopurjeita.

Venukseen pääseminen on helppoa (niin helppoa että sähköpurjeesta ei ole juuri hyötyä), mutta Merkurius on paljon vaikeampi. Merkurius on syvällä Auringon gravitaatiokuopassa, ja planeetta on niin kevyt että Oberthin efektistä ei ole juuri apua. ESA:n rakenteilla oleva Merkurius-luotain BepiColombo käyttää kemiallisen raketin ja ionimoottorin yhdistelmää, luotaimen laukaisumassa on suuri ja sen matka-aika on 6 vuotta. Matkallaan luotain kerää gravitaatiopotkua Kuulta, Maalta, Venukselta ja Merkuriukselta, jälkimmäisiltä useaan otteeseen, joten laukaisupäivää ei voi muuttaa ilman että koko lentosuunnitelma ja matka-aika muuttuvat. BepiColombo on tavallaan nykytekniikan lippulaiva: suuri, monimutkainen ja kallis avaruusalus, joka yhdistelee monia eri tekniikoita. Luotain laukaistaan 2014 ja se on perillä 2020.

BepiColombon "Mercury Magnetospheric Orbiter" (MMO)
Suuressa Avaruussimulaatiossa (Large Space Simulator, LSS) ESTECissä.

Sähköpurjeella Merkuriukseen voisi päästä halvalla, nopeasti, ja ilman eri maksua voisi tulla vielä takaisinkin. Matka-aika Merkuriukseen sähköpurjetta käyttäen olisi noin 9 kuukautta. (Arvio on laskettu olettamalla Merkuriuksen rata ympyräksi, joten se on melko karkea.) Lento olisi halpa, koska Merkuriukseen päätyvän hyötykuorman (800-900 kg) lisäksi tarvitaan vain itse sähköpurjeen massa (100-200 kg). Paketti riittää laukaista Maasta pakoradalle, ja koska mikä tahansa pakorata kelpaa, myös piggyback-vaihtoehdot ovat mahdollisia. Koska sähköpurjeella on ääretön ominaisimpulssi, delta-v -budjetista ei tarvitse huolestua.

Sähköpurje kuluttaa 1 AU:n etäisyydellä 700 W tehon. Merkuriuksen etäisyydellä aurinkotuulen tiheys on kymmenkertainen, joten tehokulutus on siellä 7 kW, kun vaaditaan työntövoiman 1/r -skaalautuminen johon 9 kk matka-aika perustuu. Nykyisten aurinkopaneelien ominaisteho on 100 W/kg, joten 7 kW paneelisto painaa 70 kg. Tämä massa-arvio pätee 1 AU:ssa, ja oletetaan tässä rohkeasti että se pätee Merkuriuksessakin: siellä aurinko paistaa kymmenkertaisella tehotiheydellä, mutta toisaalta aurinkopaneelien hyötysuhde huononee kuumassa. Aurinkopaneelien tuottoa lähellä aurinkoa voidaan optimoida kääntämällä ne sopivaan kulmaan. Hitaasti pyörivä sähköpurjetakila on jo valmiiksi jossakin ratadynamiikan määräämässä kulmassa aurinkoon nähden.

BepiColombon orbitterin Proto-Flight Model menossa Phenix tyhjiötestikammioon tammikuussa 2013. Kuva: ESA

Nykyisessä sähköpurjeen EU-projektissa insinöörityön tavoitteena on 0.9-4 AU:n etäisyysväli. Merkurius-missiota varten sähköpurje lentoratoineen pitäisi suunnitella uudelleen. Saattaa olla että erilaisten kompromissien takia matka-aika tulisi olemaan jonkin verran pitempi kuin 9 kk. Muutama kuukausi sinne tai tänne matka-ajassa ei kuitenkaan ole olennaista mission toteutettavuuden ja hyödyn kannalta.

Myös paluu Merkuriuksesta olisi periaatteessa helppoa: purje vain käännetään aurinkoon nähden vastakkaiseen kulmaan kuin menomatkalla. Kotiin tosin kannattaa palata vain jos mukana on Merkurius-näyte. Näytteen noutaminen Merkuriuksen pinnalta on periaatteessa suoraviivaista, mutta vaatii massaa. Koska planeetalla ei ole ilmakehää, sekä laskeutumisessa että nousussa pinnalta tarvitaan kemiallista rakettia. Delta-v matalalta kiertoradalta planeetan pinnalle on 3 km/s yhteen suuntaan, eli sekä laskussa että nousussa noin 2/3 painosta pitää olla polttoainetta. Jos näytteenhakulennon massa ylittää yhden sähköpurjeen kantokyvyn, matkaan voidaan lähettää kaksi sähköpurjealusta, esimerkiksi niin että toinen vie perille laskeutujan ja toinen hakee näytekapselin pois. Voisi myös olla mahdollista ja tieteellisesti perusteltua hakea näyte vain Merkuriuksen harvasta eksosfääristä eikä pinnalta.

BepiColombo Merkuriuksen radalla. Piirros: ESA

Näytteenhaku Merkuriukselta (ainakin planeetan pinnalta) olisi tieteellisesti iso juttu, koska maanpäällisessä laboratoriossa näyte voitaisiin tutkia perin pohjin. Aihetta ei ole vielä kovin paljon pohdittu. Nopea kirjallisuushaku tuotti yhden artikkelin vuodelta 2006, jossa oli selvitetty näytteenhakua Merkuriuksesta 275-metrisellä valopurjeella 3+1 vuodessa.

Tällä hetkellä Merkurius ei ole sähköpurjetiimin prioriteettilistan kärjessä. Jos kiinnostus planeettaa kohtaan kasvaa, pystymme reagoimaan tilanteeseen.

Pekka Janhunen