CubeSat käy moneen

Sähköpurjekolumni nro. 24, 5.11.2012

ESTCube-1 pitää luovuttaa joulukuussa. Satelliitti ei ole vielä valmis, mutta jos kaikki menee hyvin, maaliin tullaan ehtimään. Elektronitykin tilanne on kaikkein kriittisin. Toimiva tykki rakennettiin jo keväällä ja sitä ajettiin onnistuneesti useita viikkoja tyhjiökammiossa, mutta valmistusprosessiin kuuluvaa liimausvaihetta ei olekaan onnistuttu enää toistamaan. Viime viikolla löydettiin uusi valmistusmenetelmä, jossa liimausta ei tarvita. Jos tykki ei ehdi ajoissa, se jää pois ESTCube-1:stä. Silloin satelliitilla ajetaan vain negatiivisesti varatun liean koetta eli plasmajarrumoodia, ja positiivisen liean kokeileminen jää Aalto-1 -satelliitin tehtäväksi.

Elektronitykin haasteet koskevat vain pieniä CubeSatteja, koska niissä joudutaan tehon säästämiseksi käyttämään kylmäkatoditykkejä. Vähänkin isommissa satelliiteissa on sen verran enemmän tehoa saatavilla, että voidaan käyttää putkielektroniikasta tuttuja hehkukatodeja.

Näyttää todennäköiseltä että sähköpurjeen aurinkotuulitestilento tulee olemaan CubeSat-pohjainen. Perusvaihtoehdossa kuuden yksikön CubeSat (noin 30x20x10 cm laatikko) laukaistaan oheishyötykuormana GTO-radalle, minkä jälkeen radan lakipiste nostetaan noin kuukaudessa aurinkotuuleen butaania käyttävällä kylmäkaasutyöntimellä. Tarvittava nopeuden muutos on 500 m/s, jos se tuotetaan aina radan alimman pisteen lähellä. Kyseessä on sama ruotsalainen butaanityönnin, jota on kehitetty EU-hankkeessamme sähköpurjeen etäyksikön moottoriksi, jolla pidetään takila pyörivänä kun liekoja avataan. Butaanimoottori on kuin nestekaasupullo, jonka venttiilistä suihkautetaan kaasua aina kun tarvitaan työntövoimaa. CubeSateissa kemialliset rakettimoottorit on kielletty turvallisuussyistä, mutta kylmäkaasutyönnin on luvallinen. Itse sähköpurjettahan ei voi käyttää GTO-radalta nousemiseen, koska sähköpurje vaatii toimiakseen aurinkotuulta.

Pekka Janhunen

Tyhjiöjuna: avaruusalus metrotunnelissa

Ihminen haluaa monesti siirtyä planeetan pinnalla paikasta A paikkaan B. Hän toivoisi matkan olevan nopea (nopeutta rajoittaisi vain henkilön kiihtyvyydensieto), turvallinen, halpa, saasteeton, meluton ja maankäyttöä ja ympäristöä häiritsemätön. Yllättävää kyllä, on olemassa tekniikka, joka näyttäisi täyttävän nämä ensi kuulemalta utopistiset toiveet. Tekniikan nimi on tyhjiöjuna.

Tyhjiöjuna on magneettilevitaatiojuna, joka kulkee pitkässä tyhjiötunnelissa. Tyhjiöputki voidaan sijoittaa maan päälle kuten tavallinen junarata, mutta yleensä se todennäköisesti sijoitettaisiin kallioon louhittuun metrotunneliin. Tunnelin louhiminen kallioon ei ole erityisen kallista ja samalla tyhjiöputki pysyy suojassa säältä, ilkivallalta ja muilta ympäristön vaikutuksilta. Lisäksi jos verkosto rakennetaan pääosin maan alle, se ei häiritse maankäyttöä. Koska juna on nopea, tunnelien on oltava lähes suoria, joskin asemien lähellä missä vauhti on hitaampi sallitaan jonkin verran kaartumista. Väliasemia ei suosita, vaan jokaisella yhteysvälillä on yleensä oma putkensa ja asemat ovat verkoston solmukohtia. Useampi kuin yksi putki voidaan haluttaessa asentaa samaan kalliotunneliin. Normaalisti yksi putki on vain yksisuuntaista liikennettä varten, paluuta tarvitaan rinnalle toinen putki. Tällöin putkessa voi liikkua useampi kuin yksi juna kerrallaan.

Magneettilevitaatiojunat ovat jo arkipäivää Shanghaissa,
mutta ne ovat alttiita ilmanvastukselle. Wikimedia

Tyhjiöjunien ei tarvitse olla perinteisiä pitkiä junia, vaan nopean yhteysvälin saavuttamiseksi yksittäisiä vaunuja voidaan reitittää tunneliverkostossa asemalta toiselle samaan tapaan kuin Internetin datapaketteja. Matkustaja menee lähimmälle asemalle ja kertoo mihin on matkalla. Järjestelmä tuo paikalle suunnilleen henkilöauton kokoisen vaunun, johon astutaan ilmalukon kautta. Vaunu liikkuu ja reitittyy automaattisesti asemalta toiselle kunnes ollaan perillä. Matkustajan kannalta tyhjiöjuna muistuttaa enemmän automaattiohjattua henkilöautoa kuin junaa. 

Koska ilmanvastusta ei tyhjiössä ole, vaunun nopeutta rajoittavat sen sijaan muut seikat, kuten matkustajien sietämä kiihtyvyys ja kiihdytyksen vaatima sähköteho. Esimerkiksi jos junan kiihtyvyys on 0.4 g ja jos kiihdytetään tasaisesti puolimatkaan ja sen jälkeen hidastetaan, 300 km matkalla huippunopeus on 1 km/s (kolminkertainen äänennopeus) ja matka-aika 10 minuuttia, 3000 km matkalla puolestaan 3.4 km/s ja puoli tuntia. Jos eripituisilla linjaväleillä käytetään samaa kiihtyvyyttä, matka-aika on verrannollinen matkan pituuden neliöjuureen. Suurin ajansäästö saavutetaan pitkillä siirtymillä, mutta lyhyetkin matkat taittuvat nopeasti. Kymmenen kilometrin viipaleella huippunopeus on puolimatkassa 700 km/h ja matka-aika 2 minuuttia.

Vaikka lentäminen tunnelissa suurella nopeudella saattaa kuulostaa hurjalta, tyhjiöjuna voi olla erittäin turvallinen laite, koska hermeettisesti suljetussa tunnelissa mikään este ei voi tulla sen tielle, kun taas ulkona nopean junan reitille voi esimerkiksi kaatua puu tai vyöryä rinteeltä kiviä. Jos vaunua leijuttava ja kiihdyttävä sähkömagneettinen koneisto on kahdennettu esimerkiksi siten että sähköt saavat katketa joko radasta tai vaunusta ilman että vaunu pohjaa tai jarrutus menee pitkäksi, turvallisuustaso on erittäin korkea.

Kunhan tekniikka on kehitetty, tunneliverkoston rakentaminen maksaa ehkä kilometriä kohti suunnilleen saman verran kuin rautatien tai maantien, koska molemmissa maansiirtotyöt ovat samaa suuruusluokkaa. Magneettijunia on rakennettu (esimerkiksi Shanghai), kalliotunneleita osataan louhia (esimerkiksi Päijänne-tunneli) ja pitkiä tyhjiöputkia on olemassa esimerkiksi hiukkaskiihdyttimissä. Kun tunneliverkosto on kerran tehty, ylläpitokulut ovat pienet koska kuluminen on olematonta. Autonrenkaat kuluttavat asfalttia ja junien pyörät hiovat kiskoista teräspölyä niin että Lemminkäisen miehillä ja Ratahallintokeskuksen alihankkijoilla riittää korjaushommia, mutta ilmattomassa tyhjiöputkessa mikään ei kulu koska väliainetta ei ole eikä mikään osa kosketa fyysisesti toista. Tunneliin ei pääse pölyä, ja vaikka pääsisikin, se laskeutuisi tyhjiössä heti tunnelin pohjalle ja jäisi sinne. Järjestelmä tarvitsee sähkötehoa vaunujen kiihdyttämiseen (sitä enemmän mitä suurempaan vauhtiin mennään koska teho on voima kertaa nopeus), mutta käytetty energia saadaan periaatteessa kokonaan takaisin jarrutuksessa. Jarrutusenergian tehokas talteenotto on tuttua tekniikkaa muun muassa hybridiautoista. Koko liikennemuodon energiankulutus on siis teoriassa nolla. Vain tyhjiöpumput kuluttavat energiaa, mutta jos verkosto on tiivis, tehontarve on pieni.

Kun ilmalukko sulkeutuu, vaunuun astuu avaruuden hiljaisuus. Elleivät vaunun omat laitteet pidä ääntä, suurikaan matkanopeus ei riko hiljaisuutta. Koska vaunusta ei myöskään näe ulos, siellä on ehkä mukava olla isot näyttöpaneelit ja kunnon kaiuttimet, joiden avulla matkustustilaan luodaan käyttäjän haluama video- ja äänimaisema. Elektroniikan keinoin on helppo järjestää asiat niin että matkustaja voi tuoda vaunuun mukanaan oman virtuaalitodellisuutensa; hiljaisuus on tietysti yksi vaihtoehto, jonka osa matkustajista valitsee. Näin vaunuun saadaan henkilöautomaista yksilöllisyyden tunnetta, vaikka kyse onkin julkisesta liikennevälineestä. Yhteen vaunuun voisi mahtua esimerkiksi neljä tai kuusi ihmistä.

Tyhjiöjunan kiihtyvyyttä rajoittaa lähinnä matkustajien sietokyky.
Kuva: Sini Merikallio

Kalliotunnelissa oleva tyhjiöputki on kiinteä rakennelma, jonka olemassaolo ei häiritse ketään. Toisin kuin maantie tai rautatie, se ei aiheuta vaaraa, ei muodosta kulkuestettä eikä edes näy maanpinnalla liikkuville ihmisille ja eläimille. Se ei tuota melua eikä kuluta energiaa. Silti se kuljettaa päivittäin suuren määrän ihmisiä ja tavaraa valtavalla nopeudella maan äärestä toiseen. Jos yksi tyhjiöputkilinja on huollossa, vaunut reitittyvät ongelmakohdan ympäri muita linjoja pitkin kuten Internetissä. Kallion sisällä järjestelmä on luonnostaan hyvin suojattu monenlaisia ulkoisia häiriöitä vastaan, toisin kuin esimerkiksi lentoliikenne, joka on herkkä mm. tulivuorten tuottamalla tuhkalle. Ainoastaan kohdalle osuvan maanjäristyksen yhteydessä mahdollisesti syntyvä kallioperän riittävän suuri poikittainen siirros voisi katkaista tunnelin, mutta este on vain paikallinen ja sen korjaaminen on mahdollista putkisegmentti kerrallaan.

Pahin mahdollinen onnettomuus on putken katkeaminen, jolloin niiden vaunujen matkustajille jotka ovat ongelmakohdan lähellä voi käydä huonosti. Mutta pahinkaan onnettomuus ei veisi enempää ihmishenkiä kuin tyypillinen ketjukolari maantiellä, vaikka kyse olisi vilkasliikenteisestä putkilinjasta. Maantien ketjukolarin syntymiseen riittää yhden kuljettajan nukahtaminen rattiin tai itsemurha-aikeet, mutta tyhjiöputken katkeamiseen tarvitaan juuri kohdalle osuva iso maanjäristys tai pommi. Terroristille tyhjiöjuna on huono apaja, koska hengiltä saa vähemmän ihmisiä kuin perinteisissä liikennevälineissä tai ostoskeskuksessa. Pitkä ja suora kalliotunneli voidaan helposti varustaa ilmaisimilla, jotka varoittavat heti ja katkaisevat liikenteen jos tilaan tunkeutuu sabotööri esimerkiksi katon kautta porautumalla.

Ainakin äkkiseltään katsoen tyhjiöjuna ei näyttäisi soveltuvan valtamerien läpäisemiseen yhtä hyvin kuin mantereiden sisäiseen liikenteeseen. Jos putki asennetaan väliveteen, sen pitäminen tarkasti suorana ja paikoillaan merivirroissa ja aallokossa vaatii omat tekniset ratkaisunsa, jos taas syvänmeren pohjalle, putken seinämien pitää kestää suurta painetta. Välivedessä on lisäksi olemassa pieni riski että putkeen saattaisi törmätä esimerkiksi sukellusvene tai ison jäävuoren vedenalainen osa. Toisaalta tyhjiöjunan valtameriversio saattaa hyvinkin olla laivaliikennettä turvallisempi, vaikka häviääkin ääriturvalliselle kalliotunneliserkulleen. Rajoittamalla vaunujen nopeutta turvallisuus paranee, koska putken sivuttaissiirtymien sieto kasvaa. Esimerkiksi jos matkanopeus puolitetaan, putken äkillisten sivuttaissiirtymien sietokyky kasvaa nelinkertaiseksi. Ehkä Atlantin toiselle puolelle liikutaan junilla jotka liikkuvat ”vain” Concorden vauhtia.

Eikö tämä kuulosta liian hyvältä ollakseen totta, ja jos tyhjiöjuna toimisi, miksi sellaista ei ole jo rakennettu? Kyllä, se kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta, ja kenties juuri siksi sitä ei ole toteutettu. Itse asiassa sveitsiläisillä on melko pitkälle kehitetty tyhjiöjunahanke nimeltään Swissmetro, joka vain odottaa poliittista tahtoa toteutuakseen. Swissmetro on tosin perinteinen juna eikä joukko internetmäisesti reitittyviä henkilöauton kokoisia vaunuja.

Tunnuslauseemme olkoon: nyhjäistään tyhjästä!

Pekka Janhunen

ESTCube loppusuoralla

Sähköpurjekolumni 30.8.2012

ESTCube-1 -piensatelliitin aikataulu aikaistuu: satelliitin luovutus on näillä näkymin joulukuussa ja laukaisu maaliskuussa. Tällä hetkellä ei ole vielä varmaa ehditäänkö kaikki saada valmiiksi ja testattua syksyn aikana, mutta yritys on kova. ESTCube-1:n laukaiseminen nopeutetussa aikataulussa olisi hyvä koska silloin ESTCube-1:n tulokset ja mahdollisesti ilmenevät ongelmat ehditään ottaa huomioon Aalto-1 -satelliittia rakennettaessa.

Viron ensimmäinen satellitti valmistumassa.

 Ensimmäinen yritys kilometrin pituisen nelilankaisen liean tekemiseksi on suunnitelmissa aloittaa lähipäivinä. Jos kaikki menee hyvin, työ kestää pari viikkoa. Harjoituksena ESTCube-1 lentomallin tuotantoa varten tehtaalla tuotettiin viime viikolla kymmenmetrinen lieka. Automaattinen tuotanto kesti kolme tuntia ja se keskeytyi kerran laitteen omaan virheilmoitukseen joka fiksattiin manuaalisesti. Nyt tuotettava lieka on muuten lopullisen kaltaista paitsi että sen silmukkalangoissa on tuotantomenetelmästä johtuvat ylimääräiset taitokset. Taitoksista on tarkoitus päästä eroon liekatehtaan seuraavassa kehitysversiossa, vaikka taitoksiakin sisältävä lieka kelpaisi hyvin ESTCube-1 ja Aalto-1 -satelliitteihin. Lieka tuotetaan suoraan avaruuteen lentävälle puolalle. Vaikka liean voi periaatteessa siirtää kelalta toiselle, sitä ei tehdä koska ohuen liean turhaa käsittelyä halutaan välttää.

Andrea Rossin reaktorikeksintö on edennyt nopeasti. Hän on nostanut ytimen lämpötilan tuhanteen asteeseen, 10.9. on luvassa tarkempi raportti ja lokakuussa riippumattomien yliopistotahojen antama testiraportti. Toisaalta Francesco Celani (Frascatin kansallinen laboratorio) demonstroi ICCF-17 -kokouksessa Koreassa 10-18.8. omaa nikkeli-vetyreaktoriaan. Professori Celanin laite tuottaa parinkymmenen watin tehon ja se on tietyllä tavalla pintakäsitelty metrin pituinen ohut konstantaanilanka vetykaasussa. Vaikka Celanin tutkimusreaktorin teho on pieni, langan tehotiheys on suuri ja ylittää kemiallisen rajan minuuteissa. Reaktori oli päällä kokousviikon ajan ja Celani kertoo ajaneensa sitä aiemmin pari kuukautta, jossa ajassa se ylitti kemiallisen rajan 40000-kertaisesti. Ydinreaktioissahan vapautuu enimmillään miljoonia kertoja enemmän energiaa kuin kemiallisissa reaktioista.

Ainakin toistaiseksi Rossin reaktori vaatii kuudesosan tuottamastaan lämmöstä sisään sähköenergiana. Tämän takia reaktorin lämpötila on tärkeä: jos reaktori on riittävän kuuma, se voi pyörittää generaattoria, joka tuottaa sähköä paremmalla kuin kuudesosan hyötysuhteella. Sen jälkeen laitteisto voi tuottaa lämpöä ja sähköä kuten fissiovoimala.

Rossin reaktorin uusimman version teho-painosuhde 2 kW/kg riittää periaatteessa lentämiseen. Ehkä pitäisi kaivaa esiin Convairin ja neuvostoliittolaisten ydinkäyttöisen suihkukoneen suunnitelmat 1950-luvulta.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 9: Miehitetyt Mars-lennot

Taiteilijan näkemys miehistöstä tutkimassa Marsia (Wikipedia)

Miehitettyjä Mars-lentoja voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Joissakin suunnitelmissa miehistö oleskelutiloineen laskeutuu planeetalle kertarysäyksellä, toisissa hyötykuormia viedään planeetan pinnalle etukäteen. Vähitellen tapahtuva rakentaminen on monessa mielessä houkutteleva vaihtoehto, mutta haasteena on saada lennot laskeutumaan lähelle toisiaan, tai vaihtoehtoisesti hyötykuormia ja miehistöä pitää kuljettaa esimerkiksi pyöräajoneuvolla tai ehkäpä rakettialuksella, joka käyttää Marsin ilmakehästä ja vedestä tuotettua metaania ja happea. Jos planeetan pinnalla on toimiva kuljetuspalvelu, miehistö voi laskeuduttuaan liikkua vapaammin planeetalla ja tutkia sitä. Tällöin on ehkä myös lähempänä ajatus että oleskelu Marsissa voisi saada pysyvämmän luonteen.

Jos Marsin pinnalla on toimivat oleskelutilat ja kuljetusinfrastruktuuri, miehistöt voivat laskeutua ja nousta pienehköissä aluksissa, jotka tankataan nousua varten Marsissa tuotetulla metaanilla ja hapella. Matkaan Maasta Marsin kiertoradalle ja takaisin tarvitaan raskaampi säteilysuojattu alus, joka tankataan uudelleen Marsin kiertoradalla. Välitankkaus pienentää aluksen lähtöpainoa ja tulee mahdolliseksi, jos Phobos-kuussa on vettä tai jos sähköpurjealuksilla rahdataan asteroidien vettä Marsin kiertoradalle. Paluun jälkeen siirtoalus voidaan periaatteessa tankata uudelleen Maan kiertoradalla uutta Mars-matkaa varten. Nousu matalalta Maan kiertoradalta marginaalisesti sidotulle ellipsiradalle vaatii 3.2 km/s nopeusmuutoksen ja siirtyminen edelleen matalalle Marsia kiertävälle radalle noin 2.5 km/s lisää, jos ilmajarrutusta ei käytetä hyväksi. Itse asiassa seuraavaa Mars-matkaa ajatellen siirtoalus kannattaisi jättää korkealle Maan kiertoradalle, jossa se voidaan tankata asteroidiperäisellä polttoaineella kuten Marsissa. Miehistö saadaan Maahan joko Apollo-tyyppisellä paluukapselilla tai esimerkiksi ISS:n kautta käyttäen erillistä yhteysalusta. Tällöin siirtoalus voidaan nostaa alun perin miehittämättömänä matalalta radalta korkealle kiireettömästi sähköpropulsiolla tai se voidaan tankata nostoa varten matalalla radalla Maasta tuodulla polttoaineella (tarvittava happi voitaisiin periaatteessa kaapata yläilmakehästä). Jos polttoaineena on vety-happiyhdistelmä, 2.5 km/s manöövereitä varten tankatun aluksen massasta 43 prosenttia on oltava polttoainetta. Jos vaatimus on 3.2 km/s, polttoaineen osuus nousee 51 prosenttiin. Kumpikin massasuhde on kohtuullinen.

Välitankkaus Marsin kiertoradalla alentaa kustannuksia ratkaisevasti, sillä ilman välitankkausta siirtyminen matalalta Maan kiertoradalta Marsin kiertoradalle ja takaisin vaatisi huiman 11.4 km/s nopeusmuutoksen. Vaikka käytettäisiin termistä ydinrakettia, ajoainetta (vetyä) tarvittaisiin silti 74 prosenttia lähtöpainosta. Noin suuri vetymäärä olisi ongelmallinen, koska vedyn säilöminen vaatii enemmän oheismassaa (lämpöeristeitä ja aktiivista jäähdytystä) kuin muiden ajoaineiden. Kemiallisessa vety-happiraketissahan vedyn massahan on tyypillisesti vain seitsemäsosa polttoaineen kokonaismassasta, loput on nestehappea jonka säilöminen on vetyyn verrattuna helppoa. Itse asiassa välitankkausta käyttämällä metaaninkin ominaisimpulssi riittäisi Mars-matkailuun ja voisi olla harkinnan arvoinen vaihtoehto nestevedylle, jos Phobokselta tai asteroideilta löydetään kätevässä muodossa olevia hiiliyhdisteitä. Välitankkaus Marsin kiertoradalla antaisi samalla myös mahdollisuuden täydentää miehistön tarvitseman käyttöveden ja hengityshapen varastot paluumatkaa varten, mikä pienentäisi lähtöpainoa edelleen. Vaikka lennolla pyritäänkin kierrättämään näitä aineita, täydelliseen kiertoon ei ainakaan ISS:llä ole vielä päästy.

Sähköpurje voisi kuljettaa Marsiin huoltomoduuleita odottamaan astronautteja.
Lähde: Wikipedia/NASA

Jos vähittäiseen Mars-infrastruktuurin rakentamiseen ryhdytään, planeetan pinnalle tai kiertoradalle etukäteen vietävät hyötykuormat ovat potentiaalisia sähköpurjeen asiakkaita, kunhan yksittäisen kuorman massa eli ylitä muutamaa tonnia. Toimiakseen sähköpurje vaatii noston Maan magnetosfäärin ulkopuolelle, mutta sinne päästyään alus pystyy ottamaan kurssin haluttuun aurinkokunnan kohteeseen riippumatta planeettojen asennosta. Mikä tahansa väline joka nostaa hyötykuorman pakoradalle, Kuun kiertoradalle, Lagrangen pisteeseen tai korkealle ellipsiradalle kelpaa laukaisimeksi sähköpurjehyötykuormalle. Kantoraketin rataa ja laukaisuhetkeä ei tarvitse räätälöidä lentämään kohti Marsia, sillä riittää että radan lakipiste on riittävän korkealla niin että sähköpurje pääsee aurinkotuuleen. Jos kapasiteetti riittää, samalla kantoraketilla voidaan laukaista useita sähköpurjehyötykuormia, jotkut menossa Marsiin, toiset Jupiteriin, kolmannet asteroideille ja niin edelleen.

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

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

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

Pekka Janhunen

Aurinkotuulitestimissio SWEST

Aurinkotuulipurje on kotonaan vapaassa aurinkotuulessa,
Maan magneettikentän vaikutusalueen ulkopuolella. Kuva: NASA

Sähköpurjekolumni 10.4.2012 

 Haemme mahdollisuutta toteuttaa sähköpurjeen aurinkotuulitestimissio. Vaihtoehtoja on suurehko määrä. Esimerkiksi voidaan rakentaa tavallinen satelliitti, jonka tehtävänä on pelkästään sähköpurjeen testaus. Tästä tehtiin viime syksynä EU-hakemus SWEST, joka ei kuitenkaan mennyt läpi. Italialaiset yrittävät nyt saada sitä läpi eri reittiä. Sähköpurjekoe voitaisiin myös asentaa osaksi jotakin toista satelliittia. Pidin tästä esityksen maaliskuussa ESA:n GSTP6-kokouksessa.

Kaikissa tapauksissa on lisäksi vaihtoehtoina käyttää pelkkiä liekoja, liekojen päissä olevia etäyksiköitä tai etäyksiköitä ja apuliekoja. Jos käytetään pelkkiä liekoja, satelliitissa täytyy olla propulsiojärjestelmä jolla tuotetaan liekojen avaamiseen tarvittava liikemäärämomentti. Jos lieat ovat 250 m pitkiä ja niitä on neljä, siihen riittää esimerkiksi sata grammaa butaania. Tätä lyhyempiä liekoja ei aurinkotuulikokeessa kannata käyttää, koska jännitteellisinä niiden ympärille muodostuva elektronivyöhyke on jo itsessään satakunta metriä leveä. Jos käytetään etäyksiköitä, nekin tarvitsevat propulsiota avausvaiheessa, mutta vähemmän koska niiden voiman varsi on liean mittainen. Etäyksikön propulsiona on tutkittu butaanimoottoria, FEEP-moottoria ja pientä fotonipurjetta.

Aurinkotuulitestimission voisi todennäköisesti tehdä kuutiosatelliitillakin, jos sen saisi jollakin keinolla aurinkotuuleen. Tähän mennessä kuutiosatelliitteja on laukaistu vasta LEO-radalle, mutta kaavailuja GTO-laukaisuista ja jopa Kuun radalle menevästä laukaisusta on näkynyt. On periaatteessa mahdollista rakentaa kuutiosatelliittiin propulsiojärjestelmä, joka pystyy nostamaan sen GTO-radalta aurinkotuuleen.

LEO, GEO ja GTO. Kuva: Basura

Yksi tällainen mahdollisuus voisi olla Cornellin yliopiston käynnistämä hanke kuutiosatelliittiin mahtuvan elektrolyysipropulsion rakentamiseksi. Elektrolyysipropulsiossa ajoaineena on vesi, jota satelliitti hajottaa elektrolyysillä vedyksi ja hapeksi käyttämällä aurinkopaneelien antamaa tehoa. Kaasut kerätään välivarastoon painesäililöihin, jotka tyhjennetään polttamalla rakettimoottorissa kun halutaan työntövoimaa.

NASA ja USA:n ilmavoimat tutkivat elektrolyysipropulsiota 1990-luvulla, mutta luopuivat leikistä jossain vaiheessa. Olen noin 5 vuotta puhunut elektrolyysipropulsion puolesta eri yhteyksissä, joten oli mukava kuulla että Cornell on tarttunut asiaan. Elektrolyysipropulsion ominaisimpulssi on parempi kuin hydratsiinilla ja lisäksi päästään eroon myrkyllisestä ja räjähdysherkästä aineesta. Haittana on ratanostoon kuluva muutaman kuukauden aika, joka on kuitenkin lyhyempi kuin ionimoottoreilla. Elektrolyysipropulsio ei tosin taivu pitkään yhtenäiseen polttoon, joten se ei toimi planeettaluotaimen perinteisen tyylisessä lähettämisessä. Mutta planeettaluotaimethan voivat käyttää sähköpurjetta heti noustuaan aurinkotuuleen. Ehkä tulevaisuudessa satelliitteja siirtelevät elektrolyysialukset tankkaavat asteroideilta peräisin olevaa vettä, joka on tuotu maan kiertoradalle sähköpurjeilla.

Jos GTO-kuutiosatelliittilaukaisuja on tulossa, sähköpurjeen aurinkotuulitestimissiossa meidän täytyy nousta vain GTO-radalta aurinkotuuleen, johon tarvittava impulsiivinen delta-v on noin 500 m/s. Siihen saattaisi riittää ESAIL-hankkeessa kehitettävä butaanimoottori, jos satelliitin muut osat saadaan keveiksi tai jos käytettävissä on isompi kuin kolmen yksikön kuutiosatelliitti.

Pekka Janhunen

Irti rakettiyhtälöstä ajoaineettomilla propulsiomenetelmillä

Rakettiyhtälöstä on avaruustoiminnassa iso haitta. Katsaus ajoaineettomiin menetelmiin on siis paikallaan. Avaruuskelpoinen tyhjiöpumppu ja muuta jännää on luvassa.

Fotonipurje

Aurinkopurje on laaja ja ohut heijastava kalvo, joka pysyy auki keskipakoisvoiman tai pitkien tankojen avulla. Jos halutaan hyvä suorituskyky, kalvon pitäisi olla varsin ohut. Fotonipurje toimii kaikkialla missä aurinko paistaa, mutta työntövoima vähenee auringosta mitatun etäisyyden neliössä. Alle noin 700 km korkeudella ilmanvastus voittaa säteilypaineen, joten fotonipurje on nostettava korkeammalle aloitusradalle.

Oma näkemykseni on että pyörivät heliogyro-tyyppiset purjeet olisivat levypurjeita kiinnostavampia, koska niissä kalvoja ei tarvitse taitella vaan ainoastaan rullata, koska niiden työntövoiman suuntaa ja suuruutta voidaan säätää monipuolisemmin ja koska purjekalvot saadaan kauemmas pääaluksesta niin että ne eivät häiritse radioliikennettä ja tiedeinstrumentteja.

Sähköpurje

Sähköpurje koostuu ohuista varatuista metallilangoista, jotka poikkeuttavat aurinkotuulen protoneja suunnastaan ja siten saavat niiltä liikemäärää. Sähköpurje toimii kaikkialla minne aurinkotuuli puhaltaa, eli kaikkialla aurinkokunnassa paitsi Maan ja jättiläisplaneettojen magnetosfäärien sisällä. Työntövoima vähenee kääntäen verrannollisena auringosta mitattuun etäisyyteen eli hitaammin kuin fotonipurjeella. Työntövoiman suuntaa voidaan säätää hieman rajoitetummin kuin fotonipurjeessa, mutta toisaalta sen suuruutta voidaan säätää rajattomasti nollan ja maksimiarvon välillä. Arvioiden mukaan sähköpurjeen työntövoima suhteessa laitteen painoon on huomattavan suuri. Työntövoimaa ei tosin pystytä arvioimaan kovin tarkasti teoreettista tietä ja työntövoimamittausta aurinkotuulessa ei ole vielä tehty.

Sähködynaaminen lieka

Sähködynaamisella liealla voi nostaa tai laskea LEO-satelliitin rataa. Jos rataa nostetaan, laite kuluttaa sähkötehoa, jos sitä lasketaan, se toimii generaattorina. Jos lieka on painovoimastabiloitu eli roikkuu satelliitista kohti maata tai maasta poispäin, laite toimii kuvatulla tavalla vain päiväntasaajaradalla, koska muilla radoilla liekaan kohdistuva magneettinen voima muuttaa myös radan inklinaatiota. Jos lieat pyörivät kuten sähköpurjeessa, sitä voi käyttää monipuolisemmin myös muilla kiertoradoilla.

Peikkona sähködynaamisessa lieassa on että jos lieka katkeaa, irronneesta pätkästä tulee ikävä avaruusromu, joka tosin putoaa alas tyypillisiä satelliitteja nopeammin. Mitä matalampi ratakorkeus, sitä pienempi ongelma tämä on.

Sähköstaattinen lieka eli plasmajarru on niin ohut että se ei uhkaa muita satelliitteja. Menetelmä sopii pieniin satelliitteihin ja nimensä mukaisesti sillä voi vain jarruttaa, ei kohottaa rata. Plasmajarrun käyttämä fysikaalinen periaate on läheistä sukua sähköpurjeelle.

Asteroidivesi

Hiiliasteroidit sisältävät vesijäätä, jota on periaatteessa suoraviivaista louhia lämmittämällä. Vettä voitaisiin kuljettaa maan kiertoradalle sähköpurjeilla. Jos vesipitoinen asteroidi on riittävän lähellä Maata, rakettityypisetkin propulsiomenetelmät saattaisivat olla riittävän taloudellisia. Maan kiertoradalla vettä voidaan tankata elektrolyysipropulsioalukseen, joka sitten pystyy siirtelemään satelliitteja radalta toiselle. MEO- ja GEO-radat ovat valitettavasti välialuetta, joka on elektrodynaamiselle liealle liian korkea ja sähköpurjeelle liian matala. Ajoaineettomista menetelmistä siellä toimii vain fotonipurje, joka on kuitenkin varsin hidas eikä toimi ilmanvastuksen takia matalimmilla radoilla. Elektrolyysiraketit olisivat satelliittien siirtelyyn sangen hyödyllisiä, kunhan halpaa asteroidivettä olisi saatavissa kiertoradalla. Siirto niillä kestäisi tyypillisesti muutaman kuukauden, mikä on nopeampi kuin ionimoottorilla vaikkakin hitaampi kuin hydratsiinilla.

Ilmakehän ionimoottori

ESA:n GOCE-painovoimasatelliitti lentää matalalla ja ylläpitää ratakorkeuttaan ionimoottorilla. Ei tarvitsisi muuta kuin varustaa satelliitin keula muotoillulla aukolla ja tyhjiöpumpulla, niin se voisi imeä tarvitsemansa ajoaineen ilmakehästä. Konseptia on mietitty ESA:ssa. Hall-moottorin sisus on boorinitridiä, joten typen pitäisi kelvata ajoaineeksi ilman korroosio-ongelmaa. Hapen erottamiseen typestä on useita keinoja, tai ehkä ionimoottori sietää happeakin. Koska ionimoottorin suihkun nopeus on tyypillisesti 30 km/s, satelliitti tarvitsee vain osan keräämästään kaasusta radan ylläpitoon. Ylijäämä voidaan säilöä tankkiin joka mahdollistaa nousun ylemmälle radalla. Matalalla radalla satelliittiin kohdistuu merkittävä aerodynaaminen voima, joten satelliitti voi muuttaa myös inklinaatiotaan. Saadaan siis alus joka pystyy muuttamaan kiertorataansa rajattomasti, kunhan muistaa käydä välillä lentämässä matalalla radalla tankkaamassa. Sivutuotteena saadaan happea, jota voi käyttää kemiallisessa raketissa jos on tarpeen tehdä nopeampi manööveri. Poltettava aine joudutaan tosin silloin tuomaan muualta, todennäköisesti maasta.

Kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta, joten jossain on varmaankin tekninen pullonkaula. Ehkä riittävän monta kuutiometriä sekunnissa siirtävä tyhjiöpumppu painaa liikaa.

Pekka Janhunen

Etäyksikön suunnittelua

Remote Unit Component Design Review -kokouksen osallistujat Upsalassa 7.-8.11.2011.
Kuva: Sini Merikallio

Sähköpurjekolumni 3.2.2012 

EU-projektissa kehitettävässä sähköpurjeessa jokaisen liean päähän tulee niin sanottu etäyksikkö, jotka sidotaan toisiinsa rei'itetystä muovinauhasta tehdyillä apulieoilla. Varmuuden vuoksi kukin apulieka avataan kahdesta suunnasta eli jokainen etäyksikkö sisältää kaksi apuliekakelaa. Etäyksikössä on myös pieni rakettimoottori, jonka avulla sähköpurjetakila pannaan pyörimään samalla kun sitä avataan. Etäyksiköiden moottoreilla saatetaan myös säätää takilan pyörimisnopeutta myöhemminkin, jos tarve vaatii. Etäyksikön moottori on joko tavallinen kylmäkaasumoottori tai pieni FEEP-ionimoottori. Kumpaakin vaihtoehtoa kehitetään rinnakkain.

RU Component Design Review -kokouspöytä Upsalassa 9.-10.1.2012.
Kuva: Sini Merikallio

Etäyksikön suunnittelu on ollut varsin mielenkiintoinen insinööritehtävä. Päävastuun siitä kantavat ruotsalaiset, kun taas elektroniikkaa tulee Virosta, apuliekarullat Saksasta ja FEEP-moottori Italiasta. Mielenkiintoisen siitä tekee se että etäyksikön pitää pystyä toimimaan 0.9-4 AU:n etäisyyksillä auringosta ja toisaalta siitä halutaan tehdä mahdollisimman kevyt, mielellään alle puolikiloinen. Lämpösuunnittelua helpottaa se että etäyksikön auringon puoleinen sivu on aina sama, joskin 60 asteen kääntymä perusasennosta sallitaan. Auringon puolella on aurinkokennoilla päällystetty levy, jonka takana varjossa oleva laatikko sisältää elektroniikan ja muut lämpötilavaatimuksiltaan kriittiset osat. Jos laatikosta kytkettäisiin sähköt pois, se jäähtyisi hitaasti varsin matalaan lämpötilaan, mutta melko pieni teho riittää pitämään sen sisälämpötilan halutuissa rajoissa. Tämä teho saadaan aurinkopaneeleista myös 4 AU:n etäisyydellä.

RU Component Design Review -kokouspöytä Upsalassa. Petri Toivanen on iloisella tuulella.
Kuva: Sini Merikallio

Etäyksikön suunnittelu on ollut mielenkiintoista, koska se ei ole vain laatikko johon tarvittavat komponentit ladotaan, vaan laitteen muotoon vaikuttavat hyvin monet eri tekijät. Esimerkiksi laitteen painopiste ei saa siirtyä liikaa kun kylmäkaasumoottorin tai FEEP-moottorin ajoaine kuluu eikä moottorin melko leveä suihku saa osua laitteen mihinkään osaan eikä etenkään apu- tai pääliekaan. Painopisteen täytyy myös pysyä selvästi apuliekojen kiinnityskohdan ulkopuolella, koska muuten yksikkö voisi kiepsahtaa ympäri lennon aikana jolloin aurinkopaneeli jäisi varjoon. Aurinkosuojan täytyy estää auringonvalon osuminen elektroniikkalaatikkoon myös 60 asteen kallistuskulmalla, joten laatikosta tehtiin mahdollisimman matala ja aurinkosuojan reunat taivutettiin sisäänpäin. Laitteen pitää olla riittävän tukeva kestääkseen laukaisutärinän ollessaan kiinnitettynä pääaluksen kylkeen, mutta toisaalta elektroniikkalaatikon ja aurinkosuojan välisten kiinnikkeiden täytyy olla riittävän hennot, jotta ne eivät muodosta jäähdyttävää lämpösiltaa 4 AU:ssa. Ratkaisu oli ripustaa elektroniikkalaatikko ja apuliekarullat erikseen pääalukseen, jolloin mainittujen hentojen kiinnikkeiden riittää kantaa laukaisutärinän aikana vain suhteellisen kevyen aurinkosuojalevyn värähtelevä massa. Näin kiinnikkeet saatiin ohuemmiksi ja niiden lämpövuodot pienemmiksi, mikä vähensi tehonkulutusta 4 AU:ssa ja teki siten mahdolliseksi pienentää ja keventää aurinkopaneelia ja aurinkosuojaa, jolloin kiinnikkeet saatiin entistäkin ohuemmiksi. Laite keventyi tämän ansiosta yli kilosta nykyiseen 550 grammaan.

Pekka Janhunen

Tästä videosta käy ilmi etäyksiköiden rooli.