"Telkkä on lentänyt pöntöstä" - ESTCube-1:n matka avaruuteen

Auringon nousu Atlantilla 1.5. hotellihuoneeni parvekkeelta nähtynä.

Elettiin vuoden 2008 kevättä. Olin hieman aiemmin palannut Yhdysvalloista jossa olin viettänyt vuoden vierailevana tutkijana heti väitökseni jälkeen. Tulevaisuuden suunnitelmani olivat apposen avoimet enkä oikein tiennyt mihin suuntaan lähtisin seuraavaksi. Olin kuullut yhteisten tuttavien kautta, että ystäväni ja kollegani Mart Noorma TKK:n Mittaustekniikan laboratoriosta oli palannut kotikonnuilleen Tarttoon ja oli kuulemma alkanut puuhastella avaruusprojektien parissa. Martin tavoite oli, ei enempää eikä vähempää, kuin kuroa umpeen 20 vuoden takamatka jonka itsenäinen Viro oli päästänyt syntymään avaruusinsinöörien tuotannossa. Martin sanoin Viron saatua uudelleen itsenäisyytensä kukaan ei halunnut opiskella luonnontieteitä tai tekniikkaa, kaikki halusivat olla bisnesmiehiä. Mart oli ottanut tehtäväkseen muuttaa tilanteen ja muutoksen lippulaivaksi oli valittu projekti jonka lopputuotteena olisi Viron valtion ensimmäinen satelliitti. Ja sivumennen sanoen Itämeren rannan suomalaisugrilaisten valtioiden ensimmäinen.

Palmuranta Cayennessa.

Viisi vuotta myöhemmin istun Helsinki-Vantaan lentoaseman lähtöaulan Boston-henkisessä urheilubaarissa ja katselen nyrpeänä baarin seinille ripustettua, arkkivihollistani New England Patriotsia ylistävää tarpeistoa. Olen henkeen ja vereen Buffalo Billsin mies. Matkalipussani määränpääksi on merkitty Pariisi mutta siellä on tarkoitus viettää vain yksi yö. Seuraavana päivänä Air France lennättäisi minut Pariisin Orlyn kentältä Ranskan Guayanan pääkaupunkiin Cayenneen. Noin 65 kilometrin päässä Cayennesta, Kouroun kaupungissa, sijaitsee Euroopan avaruussatama. Siellä omalla lähtöalustallaan seisoo likimain lähtövalmiina Euroopan avaruusjärjestö ESA:n tuorein ja kompaktein kantoraketti Vega odottamassa laukaisuhistoriansa toista laukaisua. Raketin kärkikartion sisällä, kahden muun hyötykuorman seurassa, odottaa omaa tähtihetkeään Viron ensimmäinen satelliitti ESTCube-1.

Vega odottamassa VV02-laukaisua. Kuva otettu laukaisupäivänä, tai siis aiottuna laukaisupäivänä 3.5. Myös ESTCube-logo kärkikartiossa. Kuva: ESA-S. Corvaja, 2013

Omalta osaltani viisivuotinen ympyrä oli sulkeutunut siten, että kolmen Tartossa vietetyn vuoden jälkeen olin päätynyt takaisin koti-Suomeen ja Ilmatieteen laitokselle. Viron ensimmäisen satelliitin hyötykuormaksi kun oli valikoitunut Pekka Janhusen vuonna 2006 keksimän sähköpurjekonseptin ensimmäinen kiertoratatestilaitteisto. Viisi vuotta tuntui tässä vaiheessa sekä pitkältä että lyhyeltä ajalta. Projekti oli ollut alun alkaenkin kunnianhimoinen ja sen toteuttivat alusta loppuun opiskelijat. Projektiorganisaation kokemattomuus, meidät johtoryhmän jäsenet mukaan lukien, oli luonnollisesti aiheuttanut omat ongelmansa jotka kuitenkin oli lopulta ratkottu kärsivällisyydellä ja peräänantamattomuudella. Oli ajanjaksoja jolloin oikein mikään ei tuntunut edistyvän, kun taas seuraavassa tuokiossa saatettiin edetä jättiharppauksin. Opiskelijatyövoima aiheutti myös sen haasteen, että satelliitin rakentaminen ei luonnollisesti ollut heidän päätoimensa, vaan enemmänkin harrastus jota hoidettiin opintojen ja muun elämän ohessa ja niiden ehdoilla. Vielä on syytä mainita, että ESTCube-1 lienee yksi erittäin harvoista poikkeuksista avaruustoiminnan historiassa sikäli, että se laukaistiin aikataulusta edellä. Tämä johtui siitä, että kesällä 2012 ESA täysin yllättäen ilmoitti mahdollisuudesta sponsoroituun laukaisuun Vegan kyydissä. Ilmoitus tuli erittäin lyhyellä varoitusajalla eivätkä muut nanosatelliittityöryhmät olleet halukkaita tarttumaan tarjoukseen. Vain virolaiset olivat riittävän hullunrohkeita. Tämä aikaisti laukaisua viidellä kuukaudella suunnitellusta. Kukin voi kuvitella kuinka hektisiä aikoja projektin loppuvaiheessa elettiin.

Ryhmämme VIP-vierailla vahvistettuna Vegan laukaisupaikan luona perjantaina 3.5. Kuvassa vasemmalta Madis Võõras, Silver Lätt, Paul Liias, Ene Ergma, Jouni Envall, Viljo Allik ja Erik Kulu.

Delegaatiomme saapui Kourouhun tiistaina 30.4. Raketin laukaisu oli määrätty perjantaille 3.5. Meitä oli kaiken kaikkiaan kuusi henkeä, minun lisäkseni siis viisi virolaista. Virolaisista neljä, Silver Lätt, Viljo Allik, Paul Liias ja Erik Kulu, olivat ESTCube-ryhmäläisiä. Viides matkaaja Madis Ligema oli Viron valtakunnallisen TV:n dokumentaristi. Minutkin on siis ikuistettu osaksi Viron kansan kollektiivista muistia. Mitä lienevät tehneet ansaitakseen sen.

Majapaikkani Hôtel des Roches

Keskiviikko 1.5. oli osaltamme pelkkää turismia. Tutustuimme paikalliseen luontoon niin viidakossa kuin hiekkarannallakin. Ilmasto Ranskan Guayanassa ei välttämättä ole jokaisen pohjoismaalaisen mieleen, päivälämpötila on poikkeuksetta yli 30 astetta ja ilmankosteus monesti yli 90%. Seuraavana päivänä päästiin sitten asiaan, tuolloin menimme ensimmäistä kertaa vierailulle itse avaruuskeskukseen. Kontaktimme paikan päällä oli Michel Debraine, Vega IPT:n (Integrated Project Team) edustaja Kouroussa. Michel oli tehnyt ihailtavaa työtä varmistaakseen että meistä huolehdittaisiin hyvin. Jo heti tuona torstaina pääsimme kokemaan jotain mitä ei suotu edes seuraavan päivän VIP-kiertueen osallistujille. Pääsimme sisään rakennukseen jossa raketti odotti laukaisua. Olimme siis kirjaimellisesti kosketusetäisyydellä raketista ja pääsinkin koputtamaan raketin kylkeen pienet viime hetken onnentoivotukset. Raketin kärkikartioon kiinnitettynä ESTCube-logo näytti tavallistakin kauniimmalta. Tuo vierailu oli ikimuistoinen lukemattomin eri tavoin. Michel käytti koko arvovaltansa sen toteuttamiseksi eikä keskuksen turvahenkilöstö vaikuttanut lainkaan tyytyväiseltä siihen että epämääräistä porukkaa vietiin rakettia lääppimään laukaisua edeltävänä päivänä. Keskuksen alue on iso, sen sisällä liikutaan autolla. Lujaa. Michel ajoi kärjessä, Silver hänen perässään ja minä ohjastin ryhmämme toista autoa yrittäen parhaani mukaan pysyä perässä huippunopeuden lähennellessä 110 km/h. Itse rakennuksessa meillä kaikilla oli mukanamme kaasunaamarit. Emme saaneet opastusta niiden käyttöön tai edes selitystä sille mitä skenaariota varten ne oli meille annettu, mutta jokaisella tuli olla sellainen kannossa. Raketin ympärillä oltiin vielä täydessä työn touhussa, ilmeisesti viimeisiä tarkistuksia suoritettiin. Jossain vaiheessa Michel mainitsi jotain salaisesta palvelusta. Me naurahdimme kohteliaasti vitsille joka ei ollut vitsi ensinkään. Eräs raketin ympärillä hyörivistä oli todella Ranskan salaisesta palvelusta varmistamassa että raketille ei tehty sabotaasia. Hän muun muassa kiinnitti pieniä näkymättömiä merkkejä raketin saumoihin voidakseen todeta että niitä ei oltu sabotoitu. Myös autoiluun keskuksen alueella liittyy erityisiä sääntöjä. Ihmettelin pariin otteeseen kun pysäköimistäni kritisoitiin. Luulin ensin että olin pysäköinyt varattuun ruutuun, mutta sittemmin kävi ilmi että vika ei ollut pysäköinnin paikassa vaan tavassa. Avaruuskeskuksen alueella auto tulee pysäköidä ruutuun perä edellä, näin mahdollistetaan nopea poistuminen vaaratilanteessa.

Viidakkoretkellä 1.5. Kuvassa köysisillalla Viljo Allik.

Laukaisupäivä 3.5. oli osaltamme täynnä ohjelmaa. Edellisenä iltana kaupunkiin oli saapunut ESA:n paikalle lennättämä VIP-delegaatio, jonka mukana olivat myös Viron parlamentin puhemies Ene Ergma sekä Madis Võõras Enterprice Estonian avaruustoimistosta. Ene Ergma on ollut ESTCube-projektin tukija alusta alkaen, koulutukseltaan hän on astrofyysikko. Michel oli järjestänyt myös meidän ryhmämme mukaan perjantain VIP-kiertueelle avaruuskeskukseen. Pääsimme siis näkemään matkan päästä sen saman Vega-rakennuksen johon edellisenä päivänä olimme päässeet sisään. Näimme toki paljon muutakin, muun muassa Soyuz-raketin laukaisualustan. Pääsimme myös tutustumaan Vega- ja Ariane-rakettien laukaisuvalvomoon sekä Jupiter-huoneeseen. Jupiter-huone tai -sali on keskuksen kaikkein pyhin. Siellä kokoontuvat lähtölaskennan loppuvaiheissa laukaisun avainhenkilöt ja siellä tehdään laukaisuun liittyvät lopulliset päätökset. Lounaan jälkeen oli aika palata hotellille ja alkaa valmistautua iltaa varten.

Jutun kirjoittaja poseeraamassa avaruuskeskuksen parkkipaikalla. Taustalla Ariane-raketin mock-up

Laukaisun ajankohdaksi oli määrätty 23:06:31 paikallista aikaa. Tarve ajoittaa laukaisu tarkasti ei johtunut kantoraketista vaan sen kahdesta päähyötykuormasta. Proba-V ja VNREDSat-1 ovat molemmat kaukokartoitussatelliitteja jotka tuli saattaa kiertoradoilleen tarkasti määrättyinä hetkinä. Illan lähestyessä tunnelma arvatenkin alkoi tiivistyä. Meillä kaikilla oli henkilökohtainen kutsu jota näyttämällä saimme kaulaamme kulkuluvat. Kokoontuminen oli Jupiter-huoneen ulkopuolella iltakahdeksan aikoihin. Sieltä siirryimme busseihin jotka kuljettivat meidät Agami-nimiselle näköalapaikalle keskelle viidakkoa. Agami sijaitsee 7,5 kilometrin päässä laukaisupaikalta ja sieltä on sinne esteetön näkyvyys. Paikalla oli ehkä noin 300-400 ihmistä edustaen eri hyötykuormaryhmiä sekä tietenkin itse kantoraketin henkilöstöä. Vieraiden viihtyvyys oli taattu runsaalla tarjoilulla. Tunnelma jatkoi sähköistymistään laukaisun hetken lähetessä. Vaan sitten seurasikin antikliimaksi. Kun laukaisuun oli oman kelloni mukaan enää noin kymmenen minuuttia, saimme tiedon että lähtölaskenta oli pysäytetty. Syynä keskeytykseen olivat yläilmakehän voimakkaat tuulet. Jouduimme siis palaamaan hotellille syvästi pettyneinä.

Paul, Viljo ja Erik, kaikilla yllään eri versio VV02-laukaisun virallisesta paidasta. Taustalla Soyuzin laukaisualusta.

Laukaisua oli lykätty määräämättömäksi ajaksi. Jokaisen päivän aamuna tehtiin erikseen päätös siitä, käynnistetäänkö laukaisukronologia tuona päivänä. Lauantaina ja sunnuntaina ei edes yritetty. Minun paluulentoni oli alunperin tarkoitus lähteä jo lauantaina 4.5. Siirsin paluutani kolmella päivällä toivoen että laukaisu tapahtuisi tuona aikana. Viikonlopun vietimme miten parhaiten taisimme. Erikseen voi mainita eräät ikimuistoiset juhlat joihin minä, Paul ja Madis osallistuimme lauantai-iltana. Juhlat pidettiin muukalaislegioonan tukikohdassa ja ne äityivät varsin väkivaltaisiksi. Väärinkäsitysten välttämiseksi todettakoon, että legioonalaiset olivat niitä jotka pitivät parhaansa mukaan yllä järjestystä. Tappeluista, joissa välillä käytettiin myös hengenvaarallista kättä pidempää, vastasivat paikalliset huligaanit.

Pieni osa Ariane- ja Vega-rakettien laukaisuvalvomoa. Peräseinällä nähdään lähtölaskennan kello. Kymmenisen tuntia laukaisuun.

Valitettavasti ryhmämme hupeni kooltaan kun itse kunkin oli aika lentää takaisin kotiin. Kun Paul ja Erik oli viety lentokentälle maanantaina, jäljellä olimme enää minä ja Silver. Silverillä oli työvelvoitteita ESA:n suuntaan, joten hänen tuli pysyä Kouroussa laukaisuun asti, kesti se sitten kuinka kauan tahansa. Minun paluulentoni oli seuraavana päivänä 7.5. Olimme verrattain hyvällä tuulella, sillä maanantaiaamuna Michel oli soittanut ja kertonut että laukaisukronologia oli aloitettu, ensimmäistä kertaa sitten perjantain. Emme kuitenkaan tohtineet tässä vaiheessa toivoa liikoja. Saamiemme tietojen mukaan yläilmakehän säätilanne ei ollut viikonlopun aikana parantunut, jotkut väittivät sen muuttuneen jopa huonompaan suuntaan. Siitäkin huolimatta olin tyytyväinen siitä, että viimeiselle illalleni Kouroussa oli jotain järjestettyä ohjelmaa. Illalla toistui sama ruljanssi kuin perjantaina. Kokoonnuttiin Jupiterilla, esitettiin kutsut ja henkilöllisyystodistukset, siirryttiin bussiin ja ajettiin Agamille. Väki oli vähentynyt huomattavasti perjantaista, nyt meitä ei ollut paikalla sataakaan. Silver oli työtehtävissä Jupiter-huoneessa, minä olin siis ainoana ryhmästämme viidakossa. Edellisestä kerrasta viisastuneena yritin ottaa tällä kerralla lunkisti, valmistellen itseäni siihen että töpseli vedettäisiin taas seinästä. Se onnistui alkuvaiheessa, mutta mitä pienemmiksi luvut muuttuivat lähtölaskennan kellossa, sitä toivottomammaksi muuttui zeniläisyyden teeskentely. Kun kello näytti noin puolta tuntia, olo oli taas kuin viisivuotiaana jouluaattona.

Avaimia ja punaisia nappeja. Juuri kuten kuuluukin...

Noin 25 minuutin kohdalla isolle näyttöruudulle ilmestyy kasvot. Joku vieressäni parahtaa että viimeksi kun tämä kaveri tuli ruutuun, se merkitsi laukaisun keskeytystä. Jään odottamaan sydän pamppaillen mitä miehellä on sanottavanaan. Hän alkaa puhua, ranskaksi. Yritän parhaani mukaan pysyä kärryillä, mutta kauan sitten unohtunut kouluranskani pettää pahemman kerran. Odotan että hän toistaisi edes pääkohdat englanniksi, ei toista. Yritän lukea ihmisiä ympärilläni, yritän aistia riemua tai pettymystä. Vilkuilen ESA:n edustajia, alkavatko he paimentaa meitä takaisin busseihin. En saa mitään indikaatiota tilanteesta. Tässä vaiheessa käännyn vieressä olevan miehen puoleen ja tiedustelen mitä ruudulla oli juuri sanottu. Hän osoittaa kuvaruudulle johon on juuri ilmestynyt uusi grafiikka. Hän kertoo että mies ruudulla oli sanonut saman minkä nyt voi todeta grafiikasta. Grafiikka näyttää kaikkien laukaisuun vaikuttavien tekijöiden (säätila, kantoraketti, hyötykuormat jne) tilan. Kutakin vastaa grafiikassa segmentti, joka on joko vihreä tai punainen. Jos yksikin on punainen, rakettia ei laukaista. Ne ovat kaikki vihreitä, raketti laukaistaan noin 18 minuutin kuluttua. Samalla hetkellä laukaisualustan suunnalta lentää meitä kohti helikopteri. Se lentää ylitsemme sysimustalla taivaalla ja vilkuttaa vihreätä valoa. Jalkani ovat tässä vaiheessa jo hyytelöä. Käyn hermostuksissani roplaamassa jalustalla seisovaa videokameraani jotta minuutit kuluisivat nopeammin. Kun laukaisuun on aikaa noin kaksi minuuttia, käyn käynnistämässä kameran. Seuraan silmä kovana laukaisukelloa ruudulta kunnes se pääsee kymmeneen sekuntiin. Tästä eteenpäin tuijotan herkeämättä 7,5 kilometrin päässä siintävää voimakkaasti valaistua laukaisualustaa. Viimeiset kymmenen sekuntia naisääni luettelee numeroita. Dix, neuf, huit... Kun päästään nollaan, taivaanranta välähtää ja viidakon ääriviivat näkyvät vaikka on trooppinen yö. Kaikki on ohi ennen kuin edes ymmärtää. Vega on pieni ja ketterä raketti, se ei nouse hitaasti jyristen kuten isoveljensä. Lisäksi pilvet ovat erittäin matalalla, raketti näkyy vain lyhyen hetken ennen kuin se katoaa pilviin. Ääni tulee jonkin verran perässä.

Laukaisukronologian mukaisesti ensimmäinen hyötykuormista, Proba-V, irrotetaan noin tunti laukaisun jälkeen. Siitä tunti eteenpäin on VNREDSatin ja ESTCuben vuoro muutaman minuutin välein. Kun ESTCube-1 on irrotettu onnistuneesti, on aika tiedottaa asiasta sähköpurjetiimille Suomessa. Lähetän Petri Toivasen kännykkään tekstiviestin ”Telkkä on lentänyt pöntöstä”. Viestin merkitys ymmärretään ongelmitta.

Ensimmäinen ESTCuben lähettämä on-board -kameran kuva. Etualalla näkyvä vesialue on Välimeri ja sen takana näkyy Afrikan pohjoisrannikko. Kuvassa näkyvän mystisen punaisen täplän alkuperästä ei ole varmuutta. Omaan teoriaani löytyy youtube-linkki ESTCuben Facebook-sivulta.

ESTCube-1:n mission alkuvaiheet ovat olleet menestyksekkäitä. Sen majakkasignaali kuultiin heti sen ensimmäisellä Tarton ylityksellä, sitä ennen sen oli jo ehtinyt kuulla ainakin yksi radioamatööri Venäjällä. Torstaina 9.5. satelliittiin saatiin luotua kaksisuuntainen datalinkki. Samana päivänä satelliitin tehojärjestelmän ohjelmisto päivitettiin ja järjestelmä boottasi itsensä onnistuneesti. Varsinaiseen sähköpurjetestiin ei olla vielä päästy, eikä päästä vielä vähään aikaan. Tämänhetkisten arvioiden mukaan tämä voi viedä aina elokuulle asti. Tarttolaisilla on tällä hetkellä kädet täynnä työtä satelliitin järjestelmien validoimiseksi kiertoradan olosuhteissa. Lisäksi monien järjestelmien lopullista ohjelmakoodia kirjoitetaan vielä. Tämä on seurausta Vega-laukaisun aiheuttamasta kiristyneestä aikataulusta.

Jouni Envall 

P.S. Kun varasin itselleni uutta paluulentoa, pyysin sitä maanantaille 6.5. En saanut sitä koska kone oli täynnä. Onneksi oli.

P.P.S. Tässä vielä ensimmäinen analyysi ESTCuben ensimmäisessä kuvassa näkyvästä oudosta, pienestä punaisesta pisteestä:

Sähköpurjekolumni 26

Sähköpurjekolumni 15.5.2013

ESTCube-1 laukaistiin onnistuneesti 7.5.2013 ja satelliitti näyttää toimivan. Satelliittiin on myös jo onnistuneesti tehty yksi tehojärjestelmän ohjelmistopäivitys. Kamera, asennonsäätöjärjestelmä ja keskustietokone ovat ohjelmistoiltaan vielä puutteellisia ja lopullisten versioiden kirjoittaminen on käynnissä. Ohjelmistoja päivitetään satelliittiin sitä mukaa kun niitä valmistuu ja saadaan testatuksi. Näyttää siltä että liekaa päästäisiin avaamaan ja sähköpurjevoimaa mittaamaan elokuussa.

Kolmivuotinen sähköpurjeen kehittämiselle omistettu EU-hankkeemme ESAIL loppuu tämän vuoden marraskuussa. Kilometrin pituinen lieka saatiin valmistettua viime syksynä ja etäyksikön prototyyppi läpäisi testit helmikuussa, joten loppuraporttiin voidaan kirjata että hankkeen kunnianhimoiset tavoitteet saavutettiin. Apulieoilla stabiloitu sähköpurjekonstruktio joka skaalautuu 1 N työntövoimaan asti on nyt TRL-tasolla 4. Arvioiden mukaan yhden newtonin purje apulaitteineen painaa 100-200 kg. Verrattuna kemiallisiin raketteihin ja ionimoottoreihin tuollaisen laitteen suorituskyky (työntövoima kertaa toiminta-aika jaettuna massalla) on päätä huimaava.

Toisaalla tässä lehdessä on Jouni Envallin artikkeli ESTCube-1:n laukaisusta. Aikaisemmissa numeroissa on käsitelty sähköpurje-efektin sovelluksia yhdeksän kertaa: avaruusromun torjunta, asteroidien torjunta, lento ulos aurinkokunnasta, jättiläisplaneettojen ilmakehäluotaimet, kiertoajelu asteroidivyöhykkeellä, jatkuvaa voimaa vaativat radat, Merkurius, Kuiperin vyöhyke ja Mars-logistiikka.

ESA Technology Image of the Week.

 Sähköpurjetta ja sen sovelluksia kohtaan tunnetaan nousevaa kiinnostusta ESA:ssa ja muissa avaruusjärjestöissä. Julkisuuteen näkyivät ainakin sähköpurjeaiheinen artikkeli maaliskuun ESA Bulletin -lehdessä ja sähköpurjeliekakuvan esiintyminen 27.3. ESA:n pääsivulla "Technology Image of the Week" -kohdassa. Pidin pari viikkoa sitten esitelmän Glasgowssa avaruusteknologia-aiheisessa kokouksessa, jossa oli vain kutsuttuja esityksiä. Kokoukseen osallistui myös NASA:n teknologiajohtaja Mason Peck, joka tuli onnittelemaan esityksen jälkeen. Ennen teknologiajohtajan virkaan valintaansa Peckillä oli hanke, jossa tutkittiin jälkikäteen arvioiden hieman sähköpurjeen tapaista konseptia. Siinä maksimoitiin aluksen kapasitanssi suhteessa ympäröivään plasmaan varustamalla se pitkillä lieoilla. Sitten alus olisi varattu elektronitykillä tai muulla keinolla jolloin siihen syntyy suurehko sähkövaraus. Sen jälkeen alus olisi saanut työntövoimaa luonnon sähkö- ja magneettikenttien siihen kohdistamasta Lorentzin voimasta. Kyseinen Lorentzin voima on kuitenkin heikko, minkä myös Peck oli huomannut. Vasta kun otetaan huomioon että alus ei liiku tyhjiössä vaan virtaavassa aurinkotuuliplasmassa ja että liekojen sähkökentät häiritsevät virtausta, huomataan Lorentzin voimaa paljon suuremman sähköpurjevoiman olemassaolo. Peckin julkaisu on vuodelta 2010 ja sähköpurje oli keksitty 2006, mutta hän ei ilmeisesti ollut tietoinen sähköpurjeesta työtä tehdessään.

Kerroin Avaruusluotaimessa ensimmäisen kerran syyskuussa 2011 italialaisesta Andrea Rossin reaktorista eli väitetystä uudesta tavasta vapauttaa ytimien sidosenergiaa vedyn ja nikkelin välisellä reaktiolla, joka ei tuota radioaktiivista säteilyä. Laitteen uudemman ja kuumemman version huolellinen testaus on ollut käynnissä syksystä 2012 lähtien neljän yliopiston voimin ja testien tuloksia odotellaan julkaistaviksi lähiaikoina vertaisarvioidussa lehdessä. Jos laite toimii väitetyllä tavalla, se käytännössä mahdollistaa ikuisen, rajattoman, saasteettoman, yksinkertaisen, halvan ja hajautetun energian tuotannon, joka on riippumaton ympäristön olosuhteista ja raaka-aineista.

Pekka Janhunen

Esail Finland - FC Murphy 3-3

Sähköpurjekolumni 25, 17.1.2013

FC Murphy on hankalan joukkueen maineessa. Pelaajamateriaali on laajaa, henkilökohtainen taitotaso kova ja luovuutta löytyy. Kokeneemmat avaruuspalloilijat muistavat Murphyn legendaarisen 7-0 voiton Nasan A-joukkueesta 1986 Challenger-turnauksen loppuottelussa. Myös yksityisseura Moskova Jugend on kontannut Murphy-otteluissa, vaikka onkin viime aikoina hallinnut paikalliskamppailuita Leningrad Marxia vastaan. Murphy-luotsi Arponen tietää miten peluutetaan vastustajan puolustus pihalle loppuminuuteilla.

Lähtökohtaisesti illan ottelu oli siis epätasainen. Vieralija Murphyä vastassa oli melko tuntematon Esail Finland, jolla huhupuheiden mukaan oli palkanmaksu viime aikoina vähän tökkinyt. FC Murphy taisi luottaa kokemukseensa eikä laittanut parhaita pelaajiaan avaukseen.

Ensimmäinen puoliaika oli vähän pelailua puolin ja toisin, eikä maaleja syntynyt, vaikka Murphy selvästi painosti. Toisen puoliskon alussa ESF yllättäen avasi maalihanat, kun nätin Seppänen-Rauhala -kuvion päätteeksi Ukkonen vetäisi ylärimaan, josta pallo kimposi valkoviivan taakse maalivahti Keinosen selän kautta. Joku huuteli katsomosta että kumman puolella sä spelaat, mutta murphylaiset oli koulutettu sulkemaan korvansa. Kymmenen metrin nelilankalieka oli tuotettu ja asennettu satelliittiin. Murphy tästä sisuuntuneena pisti hillittömän prässin päälle, mutta tulosta ei meinannut tulla. Mutta ajassa 85 Rosta ja Zesta olivat sijoittuneet väärin keskikentällä, ja Murphyn espanjalaiskärki Sin-Resonancia pääsi läpi ja vetäisi huiman banaanin, jonka lähtöä maalivahti Allik ei kunnolla nähnyt. Tärinätestissä kela alkoi pyöriä, kun alunperin DLR:n suunnitelmissa ollut laukaisulukko oli jätetty "tarpeettomana" pois, koska moottorin sisäinen kitka tuntui riittävän suurelta. Taajuudella 250 Hz täristettäessä moottori alkoi kuitenkin pyöriä itsekseen, mikä tietenkin katkaisi liean. Kokeen jatkaminen hakkasi löystyneen liean linnunpesäksi jota siivottiin Estcuben sisältä pitkälle yöhön.

ESF lähti hakemaan vimmatusti tasoitusta. Virolaispelaajat improvisoivat laukaisulukkokuvion ja suomalaiset lähtivät punomaan uutta liekaa. Tulosta syntyikin. Taas kerran Seppänen oli pahanteossa antamalla Rauhalalle vapauttavan syötön ja Ukkosen tykki puhui kohti tyhjää maalia, mutta kuti meni tolppaan ja kieppui siitä puhdashuoneen lattialle. Liekatehtaan sivuttaissiirtomoottori oli sanonut työsopimuksensa irti, kun liekaa oli tehty 6 metriä. Mutta tutkapari Seppänen-Rauhala vyöryi toisena aaltona maalille, uunotti helpon näköisesti Keinosen ja väänsi 2-2 tasoituksen. Oli siirretty 10 metriä aiemmin tehtyä liekaa Estcuben lentomallikelalle.

Aikaa oli enää minuutti, aloitus vietiin keskialueelle ja Murphy aloitti hurjan rynnäkön. Tasapeli ei riittänyt, vaan Arponen himoitsi ESF:n päänahkaa. Rynnistys vähän lamaannutti poikia ja minuutin sisällä Murphy tekikin 3-2 johtomaalin suoraviivaisen satunnaiskuvion päätteeksi. Testissä huomattiin että jo kerran kelalta toiselle siirretty lieka ei tässä tapauksessa tullutkaan luotettavasti ulos vaan takkuili. Stadionin kello näytti yliaikaa ja hetki jännitettiin soiko Arianon päätöspilli, mutta tuomari vei pallon keskelle ja peli jatkui.

ESF voitti tärkeän aloituksen. Kello oli 7:20 tiistaiaamuna ja Rauhala ja Ukkonen lähtivät heti rakentamaan hyökkäystä. Kaksi maalia ottelussa syöttänyt libero Seppänen oli otettu pois kentältä ja tilalle oli vaihdettu "Juoni" Envall. Yllättävän helposti noustiin Murphyn maalille. Liimaa täytyi lämmittää puhaltimella koska se ei muuten tahtonut kuivua. Maalin edessä alkoi armoton bondaus. Rauhalan luja veto lähti kohti maalia, mutta kimposi puolustajasta takaisin keskialueelle. Murphyn miehet katsoivat tuomariin ja näyttivät kelloa, mutta Ariano antoi pelin jatkua. Kuumuus oli rikkonut liekatehtaasta toisen klämpin, minkä takia peruslanka katkesi ja homma jouduttiin aloittamaan alusta. Kuvio saatiin taas nopeasti pystyyn ja noustiin maalille. Valmentaja Janhunen huusi sivurajalta että laittakaa vielä 5 metriä suoraa lankaa ja sitten bondatkaa. Yllättävä kahden langan bondauskuvio taisi sekoittaa Murphyn tähtipelaajien pasmat hetkeksi, kun Rauhalan pystysyötöstä Juoni vetäisi pallon kylmästi maaliin. Keinonen syöksyi kuin parhaina päivinään, mutta nappulakenkä oli sekunnin kymmenyksen myöhässä, lieka oli jo lautalla matkalla kohti Harjumaata. Kisamaskotti "Toivanen" ryntäsi kentälle halailemaan pelaajasankareita. Ajassa 04:20 Tartto tiedotti: torjuntavoitto, tasapeli 3-3.

Avaruuteen lentää 16 metriä 50 mikronin tavallista lankaa ja sen päässä 3.5 metriä 2-lankaista liekaa. Eli ei ihan se kymmenmetrisen nelilankaliean voitto mitä tultiin hakemaan, mutta päätavoitteita puolustettiin onnistuneesti ja noustiin viime sekunneilla tasoihin ja mukaan jatkopeleihin Estcube-turnauksessa. Avaruusturnauksissahan on tapana pelata alkulohkot häviöstä poikki -menetelmällä. On mahdollista että sähköpurje-efekti mitataan Estcubella ja että ultraäänibondatun liean TRL-taso nousee seitsemään.

Pekka Janhunen

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