Myös Tiedetuubi bloggasi tästä aiheesta.
Tuoreita sähköpurjeuutisia ja vanhoja Avaruusluotain-lehdessä (Suomen Avaruustutkimusseuran jäsenlehti) julkaistuja sähköpurjekolumneja ja muita kirjoituksia. Sähköpurjeen kotisivu on www.electric-sailing.fi.
perjantai 6. kesäkuuta 2014
NASA Marshall Space Flight Center tutkii sähköpurjetta
NASA Marshall Space Flight Centerille (MSFC) on myönnetty NASA:n sisäinen NIAC-määräraha sähköpurjeen tutkimiseen. Hankkeen nimi on "Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS)" ja sen vetäjä on Bruce Wiegmann MSFC:n Advanced Concepts Officesta. NIAC Vaihe 1 -määrärahoja myönnettiin tänä vuonna 12 kappaletta.
torstai 5. kesäkuuta 2014
Sähköpurjekolumni 30
Sähköpurjekolumni 5.6.2014
Osallistuin Space Propulsion -kokoukseen Kölnissä. Tämä eurooppalainen kokous järjestetään joka toinen vuosi. Sähköpurjeesta ja plasmajarrusta oli esitelmä joka sai positiivista huomiota.
Eurooppalaisten kantorakettien suhteen ollaan mielenkiintoisessa vaiheessa. Nykyinen kantorakettiperhehän koostuu Vegasta, Soyuzista ja Ariane-5:sta joka pystyy yhdellä laukaisulla viemään maasynkroniselle radalle kaksi tietoliikennesatelliitta. Ariane-5 on päätetty korvata pienemmällä raketilla, jolla tietoliikennesatelliitteja lauottaisiin tyypillisesti yksitellen. Tämän Ariane-6:n rakenteesta on nyt kuitenkin syntynyt Ranskan ja Saksan välinen kiista. Virallisen Ariane-6 -suunnitelman mukaan molemmat alemmat vaiheet käyttävät kiinteitä polttoaineita ja vain ylin eli kolmas vaihe nestevetyä. Ensimmäinen vaihe sisältäisi kolme identtistä kopioita toisen vaiheen boosterista, jolloin kokonaisuutena tarvitaan neljä identtistä kiinteää rakettia ja yksi nestevetymoottori. Kiinteät raketit tehdään Ranskassa ja nestevetyvaihe Saksassa. Saksalaiset eivät ole tilanteeseen tyytyväisiä. Heidän mukaansa suunnitelman toteuttaminen johtaisi isojen nestemoottoreiden rakentamisosaamisen häviämiseen Euroopasta. He haluaisivat että myös toinen vaihe olisi nestekäyttöinen.
En ole kantorakettiasiantuntija, mutta minusta nykyinen Ariane-6 -suunnitelma näyttää taloudellisesti järkevältä, jos reunaehto on että raketti on läpikotaisin kertakäyttöinen ja jos ei välitetä kiinteiden polttoaineiden mahdollisista ympäristöhaitoista. Kiinteiden rakettien valaminen sarjatuotantona lienee halvempaa kuin erillisen räätälöidyn nestemoottorivaiheen rakentaminen. Ylimmän vaiheen on puolestaan joka tapauksessa käytettävä nestepolttoainetta laukaisutarkkuuden ja uudelleenkäynnistysvaatimuksen vuoksi.
Samaan aikaan toisaalla SpaceX uskoo uudelleenkäytettävyyteen. Jos SpaceX onnistuu halventamaan laukaisuhintojaan uudelleenkäytettävyyden avulla, Euroopassa joudutaan pohtimaan onko valittu Ariane-6 -tie oikea vai pitäisikö seurata SpaceX:n esimerkkiä. Ilmeisesti kallein tapa mennä avaruuteen on kertakäyttöinen nesteraketti, toiseksi halvin on kertakäyttöinen kiinteä raketti ja jos laukaisutiheys on riittävä, mahdollisesti sitäkin halvempi on uudelleenkäytettävä nesteraketti. SpaceX veikkaa kolmosvaihtoehdon puolesta ja Ariane-6 kakkosvaihtoehdon. Molemmissa on riski että valittu vaihtoehto ei olekaan markkinoilla kilpailukykyinen sitten kun raketti on valmis.
Myös britit Skylon-avaruuslentokoneineen olivat paikalla Kölnissä. Olen ollut Skylonin suhteen aika epäileväinen, mutta osa epäilyksistäni lieveni kun juttelin Robert Bondin kanssa. Skylon on lentokentältä nouseva ja lentokentälle laskeutuva yksivaiheinen avaruuslentokone jonka polttoaine on nestevety ja joka kuljettaa kiertoradalle 15 tonnin kuorman. Sen Sabre-moottorit hengittävät ilmaa kuusinkertaiseen äänennopeuteen asti ja sen jälkeen vaihtavat rakettimoodiin jossa hapettimena on nestehappi. Vaikuttaa siltä että Sabre-moottori saattaa jopa toimia ennustetulla tavalla jos hyvin käy, mutta Skylon-aluksen suunnittelu ei ole kovin pitkällä ja monia kysymyksiä on auki. Ilmaisin heille mielipiteenäni että kannattaisi miettiä myös suunnitelmaa B jossa Skylon tekisi vain suborbitaalisen hypyn ja toisena vaiheena oleva kertakäyttöraketti nostaisi hyötykuorman kiertoradalle. He tutkivat myös Lapcat-sovellusta, joka on Sabrea käyttävä hypersooninen suihkukone joka pystyy lentämään mihin tahansa maapallolla ilman välilaskua, esimerkiksi Lontoosta Sydneyyn.
Kevyemmässä kategoriassa sveitsiläinen S3-firma kehittää pienempää kaksivaiheista avaruuslentokonetta, joka laukaistaan Airbusin selästä ja joka pystyy viemään kiertoradalle 250 kg esimerkiksi cubesateista koostuvan hyötykuorman. Laitteen alempi vaihe on siivekäs ja uudelleenkäytettävä ja ylempi vaihe kertakäyttöinen.
Osallistuin Space Propulsion -kokoukseen Kölnissä. Tämä eurooppalainen kokous järjestetään joka toinen vuosi. Sähköpurjeesta ja plasmajarrusta oli esitelmä joka sai positiivista huomiota.
Eurooppalaisten kantorakettien suhteen ollaan mielenkiintoisessa vaiheessa. Nykyinen kantorakettiperhehän koostuu Vegasta, Soyuzista ja Ariane-5:sta joka pystyy yhdellä laukaisulla viemään maasynkroniselle radalle kaksi tietoliikennesatelliitta. Ariane-5 on päätetty korvata pienemmällä raketilla, jolla tietoliikennesatelliitteja lauottaisiin tyypillisesti yksitellen. Tämän Ariane-6:n rakenteesta on nyt kuitenkin syntynyt Ranskan ja Saksan välinen kiista. Virallisen Ariane-6 -suunnitelman mukaan molemmat alemmat vaiheet käyttävät kiinteitä polttoaineita ja vain ylin eli kolmas vaihe nestevetyä. Ensimmäinen vaihe sisältäisi kolme identtistä kopioita toisen vaiheen boosterista, jolloin kokonaisuutena tarvitaan neljä identtistä kiinteää rakettia ja yksi nestevetymoottori. Kiinteät raketit tehdään Ranskassa ja nestevetyvaihe Saksassa. Saksalaiset eivät ole tilanteeseen tyytyväisiä. Heidän mukaansa suunnitelman toteuttaminen johtaisi isojen nestemoottoreiden rakentamisosaamisen häviämiseen Euroopasta. He haluaisivat että myös toinen vaihe olisi nestekäyttöinen.
Vega, Soyuz ja Ariane-5:n malleja. Kuva |
En ole kantorakettiasiantuntija, mutta minusta nykyinen Ariane-6 -suunnitelma näyttää taloudellisesti järkevältä, jos reunaehto on että raketti on läpikotaisin kertakäyttöinen ja jos ei välitetä kiinteiden polttoaineiden mahdollisista ympäristöhaitoista. Kiinteiden rakettien valaminen sarjatuotantona lienee halvempaa kuin erillisen räätälöidyn nestemoottorivaiheen rakentaminen. Ylimmän vaiheen on puolestaan joka tapauksessa käytettävä nestepolttoainetta laukaisutarkkuuden ja uudelleenkäynnistysvaatimuksen vuoksi.
Samaan aikaan toisaalla SpaceX uskoo uudelleenkäytettävyyteen. Jos SpaceX onnistuu halventamaan laukaisuhintojaan uudelleenkäytettävyyden avulla, Euroopassa joudutaan pohtimaan onko valittu Ariane-6 -tie oikea vai pitäisikö seurata SpaceX:n esimerkkiä. Ilmeisesti kallein tapa mennä avaruuteen on kertakäyttöinen nesteraketti, toiseksi halvin on kertakäyttöinen kiinteä raketti ja jos laukaisutiheys on riittävä, mahdollisesti sitäkin halvempi on uudelleenkäytettävä nesteraketti. SpaceX veikkaa kolmosvaihtoehdon puolesta ja Ariane-6 kakkosvaihtoehdon. Molemmissa on riski että valittu vaihtoehto ei olekaan markkinoilla kilpailukykyinen sitten kun raketti on valmis.
Skylon. Kuva: Reactionengines.co.uk |
Myös britit Skylon-avaruuslentokoneineen olivat paikalla Kölnissä. Olen ollut Skylonin suhteen aika epäileväinen, mutta osa epäilyksistäni lieveni kun juttelin Robert Bondin kanssa. Skylon on lentokentältä nouseva ja lentokentälle laskeutuva yksivaiheinen avaruuslentokone jonka polttoaine on nestevety ja joka kuljettaa kiertoradalle 15 tonnin kuorman. Sen Sabre-moottorit hengittävät ilmaa kuusinkertaiseen äänennopeuteen asti ja sen jälkeen vaihtavat rakettimoodiin jossa hapettimena on nestehappi. Vaikuttaa siltä että Sabre-moottori saattaa jopa toimia ennustetulla tavalla jos hyvin käy, mutta Skylon-aluksen suunnittelu ei ole kovin pitkällä ja monia kysymyksiä on auki. Ilmaisin heille mielipiteenäni että kannattaisi miettiä myös suunnitelmaa B jossa Skylon tekisi vain suborbitaalisen hypyn ja toisena vaiheena oleva kertakäyttöraketti nostaisi hyötykuorman kiertoradalle. He tutkivat myös Lapcat-sovellusta, joka on Sabrea käyttävä hypersooninen suihkukone joka pystyy lentämään mihin tahansa maapallolla ilman välilaskua, esimerkiksi Lontoosta Sydneyyn.
Kevyemmässä kategoriassa sveitsiläinen S3-firma kehittää pienempää kaksivaiheista avaruuslentokonetta, joka laukaistaan Airbusin selästä ja joka pystyy viemään kiertoradalle 250 kg esimerkiksi cubesateista koostuvan hyötykuorman. Laitteen alempi vaihe on siivekäs ja uudelleenkäytettävä ja ylempi vaihe kertakäyttöinen.
keskiviikko 4. kesäkuuta 2014
Suomi Cosparin jäsenenä jo 50 vuotta
Suomi on kuulunut Cospariin (Committee on Space Research) nyt jo 50 vuotta. Juhlavuoden kunniaksi Suomen Cosparin kansalliskomitea järjesti 2.6.2014 juhlaseminaarin Ilmatieteen laitoksella. Kutsupuhujina olivat mm. Cosparin presidentti Giovanni Bignami ja Timo Prusti ESAsta. Janhusen Pekka taas kertoi sähköpurjeen mahdollisuuksista. Jouni Envall videoi Pekan puheen, kas tässä:
Cospar myös julkaisee kahden vuoden välein "Space Research in Finland" raporttia. Tämä uusin on ladattavissa PDF:nä Cosparin sivuilta.
maanantai 26. toukokuuta 2014
Space Propulsion 2014 -kokous Kölnissä
Osallistuin Space Propulsion 2014 -kokoukseen Kölnissä. Kyseinen kokous on tarkoitettu ensisijaisesti eurooppalaisille osanottajille ja se pidetään kahden vuoden välein. Osallistujia oli noin 500 ja olin ainoa edustaja Suomesta. Pidin kokouksessa 20 minuutin esitelmän sähköpurjeesta ja plasmajarrusta ja sain siitä positiivista palautetta. Esitelmästä laadittiin myös julkaisu.
Euroopan kantorakettiasiat olivat kokouksessa runsaasti esillä. Ariane-5:een tullaan tekemään "midlife extension" -päivitys joka nostaa raketin suorituskykyä. Sen jälkeen Ariane-5:stä ilmeisesti asteittain luovutaan ja sen korvaa noin puolet pienempi Ariane-6. Ariane-rakettien pääasiallinen asiakasryhmä ovat maasynkroniset tietoliikennesatelliitit, joita Ariane-5 rahtaa ylös yleensä kaksi kappaletta kerralla. Suunnitelma on että Ariane-6 vie ylös yhden satelliitin kerrallaan ja lentää vastaavasti useammin.
Kiistaa on kuitenkin Ariane-6:n tekniikasta. Tämänhetkinen suunnitelma ("PPH") on että raketin sekä ensimmäinen että toinen vaihe käyttävät kiinteitä polttoaineita ja vain ylin vaihe nestevetyä. Ensimmäinen vaihe sisältää kolme rinnakkaista boosteria ja toinen vaihe yhden. Raketit ovat identtisiä eli jokaista Ariane-6 varten riittää valmistaa neljä kappaletta identtisiä kiinteän polttoaineen rakettivaiheita sekä yksi nestevetyraketti jossa on yksi moottori. Ratkaisu on ilmeisesti suhteellisen taloudellinen. Ranskalaiset tekevät kiinteän polttoaineen raketit ja ylin nestevetyvaihe on puolestaan saksalainen. Saksalaiset eivät ole ratkaisusta pitäneet koska heidän osuutensa urakasta muodostuu paljon pienemmäksi kuin Ariane-5:ssä. Kölnissä tämä tyytymättömyys purkautui joissakin paneelikeskusteluissa. Saksalaiset kokevat että eurooppainen nesterakettiosaamisen perinne on uhattuna, jos PPH:ssa ainoa jatkuva hanke on pieni ylimmän vaiheen Vinci.
Minusta näyttää siltä että kertakäyttöiseksi kantoraketiksi PPH on halpa ratkaisu. Toinen asia on että SpaceX on viime aikoina ottanut onnistuneita askeleita uudelleenkäytettävyyden suuntaan, ja jos heidän suunnitelmansa onnistuvat, heidän kanssaan saattaa olla vaikea kilpailla millään kertakäyttöisellä ratkaisulla. Siihen kisaan vastaamiseksi pitäisi nimenomaan liikkua nesterakettien suuntaan, kuten saksalaiset haluavat. Mutta toisaalta laukaisuja tehdään tällä hetkellä niin harvakseltaan että uudelleenkäytettävä systeemi ei ehkä ole kannattava. SpaceX ilmeisesti luottaa siihen että jos uudelleenkäytettävyys tuo ensin hintaa alas niin laukaisuvolyymikin kasvaa.
Myös brittien Reaction Engines Ltd oli kokouksessa esillä melko näkyvästi. Heidän konseptinsa on siivekäs Skylon-alus joka nousee lentokentältä, kiihdyttää kuusinkertaiseen äänennopeuteen ilmaahengittävässä moodissa, vaihtaa sitten rakettimoodiin, nousee kiertoradalle, jättää sinne hyötykuorman, palaa takaisin ilmakehään ja laskeutuu lentokentälle. Heidän innovaationsa on Sabre-moottori joka on ikäänkuin yhdistetty suihku- ja rakettimoottori, polttoaineena nestevety. Toki riskitaso Skylonin tapaisessa hankkeessa on suurempi kuin esimerkiksi Ariane-sarjan kantoraketeissa.
Euroopan kantorakettiasiat olivat kokouksessa runsaasti esillä. Ariane-5:een tullaan tekemään "midlife extension" -päivitys joka nostaa raketin suorituskykyä. Sen jälkeen Ariane-5:stä ilmeisesti asteittain luovutaan ja sen korvaa noin puolet pienempi Ariane-6. Ariane-rakettien pääasiallinen asiakasryhmä ovat maasynkroniset tietoliikennesatelliitit, joita Ariane-5 rahtaa ylös yleensä kaksi kappaletta kerralla. Suunnitelma on että Ariane-6 vie ylös yhden satelliitin kerrallaan ja lentää vastaavasti useammin.
Ariane-6 PPH |
Kiistaa on kuitenkin Ariane-6:n tekniikasta. Tämänhetkinen suunnitelma ("PPH") on että raketin sekä ensimmäinen että toinen vaihe käyttävät kiinteitä polttoaineita ja vain ylin vaihe nestevetyä. Ensimmäinen vaihe sisältää kolme rinnakkaista boosteria ja toinen vaihe yhden. Raketit ovat identtisiä eli jokaista Ariane-6 varten riittää valmistaa neljä kappaletta identtisiä kiinteän polttoaineen rakettivaiheita sekä yksi nestevetyraketti jossa on yksi moottori. Ratkaisu on ilmeisesti suhteellisen taloudellinen. Ranskalaiset tekevät kiinteän polttoaineen raketit ja ylin nestevetyvaihe on puolestaan saksalainen. Saksalaiset eivät ole ratkaisusta pitäneet koska heidän osuutensa urakasta muodostuu paljon pienemmäksi kuin Ariane-5:ssä. Kölnissä tämä tyytymättömyys purkautui joissakin paneelikeskusteluissa. Saksalaiset kokevat että eurooppainen nesterakettiosaamisen perinne on uhattuna, jos PPH:ssa ainoa jatkuva hanke on pieni ylimmän vaiheen Vinci.
Vinci-moottori |
Minusta näyttää siltä että kertakäyttöiseksi kantoraketiksi PPH on halpa ratkaisu. Toinen asia on että SpaceX on viime aikoina ottanut onnistuneita askeleita uudelleenkäytettävyyden suuntaan, ja jos heidän suunnitelmansa onnistuvat, heidän kanssaan saattaa olla vaikea kilpailla millään kertakäyttöisellä ratkaisulla. Siihen kisaan vastaamiseksi pitäisi nimenomaan liikkua nesterakettien suuntaan, kuten saksalaiset haluavat. Mutta toisaalta laukaisuja tehdään tällä hetkellä niin harvakseltaan että uudelleenkäytettävä systeemi ei ehkä ole kannattava. SpaceX ilmeisesti luottaa siihen että jos uudelleenkäytettävyys tuo ensin hintaa alas niin laukaisuvolyymikin kasvaa.
Myös brittien Reaction Engines Ltd oli kokouksessa esillä melko näkyvästi. Heidän konseptinsa on siivekäs Skylon-alus joka nousee lentokentältä, kiihdyttää kuusinkertaiseen äänennopeuteen ilmaahengittävässä moodissa, vaihtaa sitten rakettimoodiin, nousee kiertoradalle, jättää sinne hyötykuorman, palaa takaisin ilmakehään ja laskeutuu lentokentälle. Heidän innovaationsa on Sabre-moottori joka on ikäänkuin yhdistetty suihku- ja rakettimoottori, polttoaineena nestevety. Toki riskitaso Skylonin tapaisessa hankkeessa on suurempi kuin esimerkiksi Ariane-sarjan kantoraketeissa.
ESTCube-1 erikoisnumero
Proceedings of Estonian Academy of Sciences (englanninkielinen vertaisarvioitu tieteellinen julkaisusarja jota julkaisee Viron tiedeakatemia) on julkaissut ESTCube-1 -teemanumeron jossa on yhdeksän ESTCube- ja sähköpurjeaiheista artikkelia. Artikkelien kirjoittajat ovat pääosin satelliitin rakentaneita virolaisia ja suomalaisia tutkijoita ja niiden aiheet käsittelevät ESTCube:n sähköpurjekoetta sekä satelliitin alijärjestelmiä kuten päätietokonetta, tehojärjestelmää, asennonsäätöjärjestelmää ja kamerajärjestelmää. Mukana on myös sähköpurjeen sovelluksia luotaava artikkeli.
lauantai 8. maaliskuuta 2014
Miehitetyistä Mars-lennoista
HERRO: robottiluotainten ja
miehitetyn Mars-lennon välimuoto
NASA:n George Schmidt on
ehdottanut että Marsia kiertämään lähetetään avaruuslentäjiä,
jotka etäohjaavat tosiaikaisesti pinnalla liikkuvia
robottiluotaimia. Hän käyttää ajatuksesta nimeä HERRO: HumanExploration using Realtime Robotic Operations. Maasta ohjattavilla
luotaimilla edestakainen tiedonsiirtoviive on tyypillisesti kymmeniä
minuutteja. Marsin kiertoradalta käsin viive on vain sekunnin
murto-osia, mikä avaa joukon uusia mahdollisuuksia. Schmidt
kumppaneineen ehdottaa myös ajatuksen soveltamista muihin
taivaankappaleisiin kuten Venukseen.
Minusta ajatus on
mielenkiintoinen. Etäläsnäolon avulla robotilla voi periaatteessa
tehdä lähes samat temput kuin pinnalla jäykässä avaruuspuvussa
kävelevä ihminen pystyisi tekemään. Siinä tunnusteleeko ihminen
Marsin hiekkaa avaruuspuvun jäykän käsineen läpi vai etäläsnäolon
kautta kiertoradalta ei aistikokemuksen ja toiminnan tehokkuuden
kannalta ole välttämättä suurta eroa, jos tekninen toteutus on
laadukas.
Kuva: Schmidt ym., 2011. MOI=Mars Orbit Insertion=poltto jolla päästään planeetan kiertoradalle. |
Koska etäohjattavien
robottien ei tarvitse täyttää miehitetyn avaruustoiminnan tiukkoja
turvallisuusvaatimuksia, niitä voivat rakentaa myös pienet maat
pienillä budjeteilla: jos laite ei toimi, kukaan ei kuole. Hankkeen
ympärille voisi pystyttää Kansainvälinen geofysiikkavuosi
-tyyppisen kansainvälisen Mars-vuoden. Kansainvälisenä Mars-vuonna
kaikilla kynnelle kykenevillä toimijoilla olisi Marsissa luotain,
jota avaruuslentäjät voivat ohjata kiertoradalta. Toki tavoite
olisi että seuraavassa vaiheessa ihmiset laskeutuvat planeetalle,
jos Mars-vuoden tutkimusten perusteella päädytään siihen että
planeetalla ei ole elämää jota pitäisi suojella Maan mikrobeilta.
Toiminnan motiivina kakkosvaiheessa olisi todennäköisesti enemmän
seikkailuhenki ja aurinkokunnan asuttaminen kuin tieteellinen
tutkimus.
Asteroidiveden käyttö
Laskeudutaan pinnalle tai
ei, miehitettyä Mars-matkailua voi helpottaa käyttämällä
välitankkauksia. Sähköpurjeilla rahdataan asteroideilta vettä
tankkausasemille, joissa siitä tuotetaan vetyä ja happea.
Tankkauspisteet voivat sijaita esimerkiksi matalalla Maan
kiertoradalla, Maan Lagrangen pisteessä ja Marsin kiertoradalla.
Myös planeetan pinnalla tarvitaan tankkausasema, jos halutaan että
ihmiset vierailevat sielläkin. Maan matalalta kiertoradalta
Lagrangen pisteeseen tarvittava nopeusmuutos on 3.2 km/s, Lagrangen
pisteestä matalalle Marsin kiertoradalle 2.5 km/s ja Marsin pinnalta
matalalle radalle noin 4 km/s kun ilmanvastus- ja painovoimahäviöt
otetaan huomioon. Nämä delta-v-arviot on laskettu käyttämällä
ympyrämäisiä ja samassa tasossa olevia Maan ja Marsin ratoja,
joten ne ovat likimääräisiä. Tarkat luvut riippuisivat siitä
minä vuonna matkalle lähdetään. Vetyä käytettäessä 3.2 km/s
nopeusmuutos vastaa sitä että 50% aluksen kokonaismassasta
tankkauksen jälkeen on polttoainetta.
Pitkällä matkalla
Maasta Marsiin miehistöä pitää suojata säteilyltä. Vesi on
tehokas säteilysuojamateriaali, joten säteilysuojana voi toimia
rungon sisäinen vesilasti, joka siirretään alukseen Lagrangen
pisteen tankkauspaikalla. Aluksen runko voidaan suunnitella kevyeksi,
koska rungon itsensä ei tarvitse toimia säteilysuojana eikä rungon
tarvitse myöskään tukea raskaan säteilysuojan painoa
laukaisutärinän aikana. Tämä suunnitteluperiaate pienentää
Maasta laukaistavaa massaa entisestään.
Kuinka paljon energiaa
asteroidin jään muuttaminen vedyksi ja hapeksi vaatii? Veden
haihduttaminen vie noin 2 MJ/kg. Esimerkiksi 2 kW lämmitysteholla
vettä tulee yksi gramma sekunnissa eli 30 tonnia vuodessa. Veden
hajottaminen vedyksi ja hapeksi polttoainetehtaassa ja sitä seuraava
vedyn nesteytys vaativat noin kymmenkertaisen energianmäärän eli
20 MJ/kg. Jos vettä halutaan tuottaa esimerkiksi 30 tonnia vuodessa,
polttoainetehtaalla tarvitaan siis noin 20 kW sähköteho. Tämän
tehon tuottava aurinkopaneelisto painaa vain noin 200 kg. 30 tonnin
polttoainelasti jo melkein riittää miehitetyn Mars-aluksen yhteen
tankkaukseen. Polttoainetuotannon vaatima infrastruktuuri ei siis ole
raskasta kalustoa, vaan jo muutamalla tonnilla päästään pitkälle.
Vesi voidaan kuljettaa tankkauspaikalle tehokkaasti sähköpurjeilla.
Tankkauspisteitä voi olla enemmän kuin yksi samalla radalla, jotta
saavutetaan riittävä toimintavarmuus.
Ennemmin tai myöhemmin
halutaan tehdä miehitetty lento Marsin pinnalle ja takaisin.
Miehistöalus on joka tapauksessa melko painava, joten sellaisen
laskeutuminen perinteiseen tyyliin vaatii ison lämpökilven, jonka
turvallisen toiminnan varmentaminen etukäteen on hankalaa ja
kallista. Jos Marsin kiertoradalla on käytettävissä
asteroidiperäistä polttoainetta, laskeutuminen voitaisiin suorittaa
yksinkertaisesti tekemällä kiertoradalla voimakas jarrutuspoltto,
jonka jälkeen alus putoaa pystysuoraan planeetan pinnalle. Pinnan
lähellä jarrutetaan uudestaan ja leijutaan raketeilla haluttuun
laskeutumispaikkaan. Lämpösuojausta tarvitaan vain vähän ja
laskeutumisen tarkkuus saadaan hyväksi. Tarkka laskeutuminen on
tärkeää, jotta miehistö pääsee samaan paikkaan johon on
toimitettu etukäteen polttoainetehdas ja muita varusteita.
Kustannussyistä rahti on kuljetettu Marsin kiertoradalle
sähköpurjeilla ja/tai ionimoottoreilla. Rahdin laskeutuminen voisi
tapahtua yllä kuvatulla tavalla kemiallisella poltolla.
Avainresurssi siihenkin on Marsin kiertoradan tankkauspiste.
Mikä polttoaine
paluuseen Marsin pinnalta?
Miehistöaluksen paluuta
varten se täytyy tankata Marsissa. Uusien Curiosityn tulosten mukaan
Marsin pintahiekka sisältää 2-3 prosenttia kidevettä jokavapautuu jos aine lämmitetään noin 200-400 asteeseen. Käytännössä
paikallisesti saatavat polttoainevaihtoehdot ovat metaani ja happi
tai vety ja happi. Molempien tekemiseen tarvitaan vettä, metaanin
tuotantoon myös Marsin ilmakehän hiilidioksidia. Vedyn
ominaisimpulssi on suurempi ja sen tuottaminen on kemiallisesti
yksinkertaisempaa kuin metaanin. Toisaalta tunnetusti nestevetyä on
hankalampi käsitellä koska sen säilytyslämpötila (20 K) on
matalampi kuin metaanin (110 K) tai hapen (90 K).
Nestevetyä on Marsissa
helpompi käsitellä kuin Maassa. Se auttaa hieman että Mars on
Maata kylmempi. Mahdollinen vetyvuoto ei aiheuta räjähdysvaaraa
Marsin hapettomassa ilmakehässä. Eristämätön nestevetyputki
peittyy Marsissa hiilidioksidihuurrekerroksella, mikä muodostaa
luonnollisen lämpöeristeen. Maassa käy huonommin: ilmakehän happi
ja typpi aluksi jäätyvät ja sitten nesteytyvät putken ympärille.
Nestemäinen ilma valuu alaspäin, jolloin tiivistyminen jatkuu eikä
lämpövuoto korjaannu itsestään. Pahimmassa tapauksessa
nestemäinen ilma saattaa muodostaa lammikon, joka voi myöhemmin
kiehuessaan aiheuttaa tulipalon koska viimeiseksi siitä haihtuva
kaasu on happi. Neljäs syy on että Marsin matala ilmanpaine
tehostaa lämpöeristämistä ylipäätään. Tavallinen lämpöeriste,
esimerkiksi polyuretaani, toimii sitä paremmin mitä pienempi on
kaasun paine, ääritapauksena on tehokas tyhjiöeriste. Tyhjiön
ylläpitämiseen tarvittava jäykkä rakenne on Marsissa sata kertaa
kevyempi kuin Maassa, jolloin tyhjiöeriste-elementin massa pienenee
ja lämpösillat kapenevat, mikä parantaa eristävyyttä
entisestään.
Nestevety näyttäisi
siis suhteellisen lupaavalta vaihtoehdolta Marsissa syntetisoitavaksi
paluupolttoaineeksi. Koska kyseessä on sama polttoaine jota
asteroidivedestäkin saadaan, tämä saattaisi avata mahdollisuuden
jopa sellaiselle alustyypille, joka tankkausten avustamana pystyy
lentämään Marsin pinnalle ja takaisin miehistö mukanaan.
Toisaalta saman aluksen toimiminen kaikissa rooleissa ei ole
itsetarkoitus. Perusvaihtoehto varmaankin on että Marsin pinnalla on
asemat jotka toimitetaan sinne etukäteen ilman miehistöä ja että
edestakainen liikenne Marsin pinnan kiertoradan välillä hoidetaan
erillisillä pienemmillä yhteysaluksilla. Joka tapauksessa
avaintekniikkana on välitankkaukset koska niiden avulla vapaudutaan
rakettiyhtälön eksponentiaalisesta luonteesta.
Sähköpurjekolumni 28
Sähköpurjekolumni 28.11.2013
ESTCube-1 lentää ja toimii, mutta vieläkin ilman operatiivista ohjelmistoa joka pystyisi määrittämään satelliitin asennon. Satelliitin asennonmääritysjärjestelmä käyttää aurinkoilmaisimia auringon suunnan selvittämiseen. Jokaisella kuudella sivulla on oma ilmaisimensa. Yhden sivun sensori on tosin viallinen niin että se pystyy mittaamaan vain toisen auringon kahdesta suuntakulmasta. Jäykän kappaleen asentotieto sisältää kolme muuttujaa, joten aurinkoilmaisimet eivät yksin riitä, eivätkä ne sitäpaitsi toimi satelliitin ollessa varjossa. Tästä syystä aurinkoilmaisimia täydennetään mittaamalla Maan magneettikenttä magnetometrillä ja vertaamalla tulosta mallikenttään.
Auringon ja magneettikentän suuntiin perustuvaa asentotietoa täydennetään vielä gyroskoopeilla, jotka pystyvät seuraamaan asennon muuttumista itsenäisesti lyhehkön aikavälin yli. Eri anturien mittausten yhdistämiseen käytetään Kalman-suodinta. Ihannetapauksessa Kalman-suodinkäsittelyllä saadaan jatkuva, häiriötön ja tarkka asentotieto eli saadaan yhdistettyä eri asentoantureiden hyvät puolet.
Isojen satelliittien tieteellisen tarkat magnetometrit sijoitetaan yleensä useiden metrien pituisen jäykän puomin päähän, jotta satelliitin sähköjärjestelmien virrat eivät häiritsisi niitä. CubeSateissa moinen luksus ei ole mahdollista, vaan magnetometrit sijaitsevat satelliitin sisällä ja ovat siten alttiimpia häiriöille. Häiriöt pitää pyrkiä arvioimaan ja vähentämään mittauksista ennen datan käyttämistä asennon selvittämiseen.
Asentonsa muuttamiseen ESTCube-1:n on tarkoitus käyttää magneettivääntimiä eli kolmea kohtisuoraa kelaa joihin ajettavalla virralla satelliitille voidaan luoda halutunsuuntainen magneettinen dipolimomentti. Dipoli pyrkii sitten kääntymään Maan magneettikentän suuntaiseksi kuin kompassineula. ESTCube-1:n vääntimiä on koekäytetty avaruudessa ja ne näyttävät toimivan. Magneettivääntimet ovat tuttua
teknologiaa aiemmista CubeSateista. Niillä ei voi tuottaa magneettikentän suuntaista vääntömomenttia, mutta tämä ei ole ongelma naparadalla missä satelliitti lentää erisuuntaisten kenttien läpi. ESTCube-1 siis käyttää magneettikenttää sekä asentonsa määrittämiseen että sen muuttamiseen. Toiminnot eivät häiritse toisiaan koska niitä ei tehdä samanaikaisesti.
Asennonmääritysohjelmistoa on debugattu menestyksellisesti viime päivinä. Tällä hetkellä näyttäisi siltä että asennonsäätö voidaan saadaan toimimaan suoraviivaisella työllä. Jos ja kun niin tapahtuu, sitten liekakoe voi alkaa.
ESTCube-1 lentää ja toimii, mutta vieläkin ilman operatiivista ohjelmistoa joka pystyisi määrittämään satelliitin asennon. Satelliitin asennonmääritysjärjestelmä käyttää aurinkoilmaisimia auringon suunnan selvittämiseen. Jokaisella kuudella sivulla on oma ilmaisimensa. Yhden sivun sensori on tosin viallinen niin että se pystyy mittaamaan vain toisen auringon kahdesta suuntakulmasta. Jäykän kappaleen asentotieto sisältää kolme muuttujaa, joten aurinkoilmaisimet eivät yksin riitä, eivätkä ne sitäpaitsi toimi satelliitin ollessa varjossa. Tästä syystä aurinkoilmaisimia täydennetään mittaamalla Maan magneettikenttä magnetometrillä ja vertaamalla tulosta mallikenttään.
Pääministeri Andrus Ansip puhuu Estcubesta Riikikogussa 17.12.2013 |
Isojen satelliittien tieteellisen tarkat magnetometrit sijoitetaan yleensä useiden metrien pituisen jäykän puomin päähän, jotta satelliitin sähköjärjestelmien virrat eivät häiritsisi niitä. CubeSateissa moinen luksus ei ole mahdollista, vaan magnetometrit sijaitsevat satelliitin sisällä ja ovat siten alttiimpia häiriöille. Häiriöt pitää pyrkiä arvioimaan ja vähentämään mittauksista ennen datan käyttämistä asennon selvittämiseen.
Asentonsa muuttamiseen ESTCube-1:n on tarkoitus käyttää magneettivääntimiä eli kolmea kohtisuoraa kelaa joihin ajettavalla virralla satelliitille voidaan luoda halutunsuuntainen magneettinen dipolimomentti. Dipoli pyrkii sitten kääntymään Maan magneettikentän suuntaiseksi kuin kompassineula. ESTCube-1:n vääntimiä on koekäytetty avaruudessa ja ne näyttävät toimivan. Magneettivääntimet ovat tuttua
teknologiaa aiemmista CubeSateista. Niillä ei voi tuottaa magneettikentän suuntaista vääntömomenttia, mutta tämä ei ole ongelma naparadalla missä satelliitti lentää erisuuntaisten kenttien läpi. ESTCube-1 siis käyttää magneettikenttää sekä asentonsa määrittämiseen että sen muuttamiseen. Toiminnot eivät häiritse toisiaan koska niitä ei tehdä samanaikaisesti.
Asennonmääritysohjelmistoa on debugattu menestyksellisesti viime päivinä. Tällä hetkellä näyttäisi siltä että asennonsäätö voidaan saadaan toimimaan suoraviivaisella työllä. Jos ja kun niin tapahtuu, sitten liekakoe voi alkaa.
Tilaa:
Blogitekstit (Atom)