Sähköpurjeella pääsisi mittaamaan Uranuksen ilmakehää alle 6 vuodessa

Tuore Uranus-paperimme on julkaistu Planetary and Space Science -lehdessä ja se tutkii sähköpurjemissiota Uranuksen ilmakehää mittaamaan. Noin 550 kg painoinen alus laukaistaisiin Maasta aurinkotuuleen ja 0.5 newtonin sähköpurje kiihdyttäisi sen kohti Uranusta. Sähköpurje hylätään joitakin kuukausia ennen perillepääsyä mikä tapahtuu alle 6 vuoden päästä lähdöstä, ja tarvittaessa ohjausraketeilla tehdään ratakorjauksia. Aluksesta irtoaa ilmakehäluotain, joka laskeutuu lämpökilven turvin ilmakehään vajoten hitaasti laskuvarjon avulla ja tehden mittauksia. Luotain lähettää datan emäalukselle, joka samaan aikaan lentää planeetan ohi turvallisesti rengasjärjestelmän ulkopuolella. Emäalus tallettaa datan muistiin, josta se puretaan Maahan radioitavaksi sitten kun planeetan ohituksen jälkeen. Luotain murskautuu ilmakehän paineessa, mutta sitä ennen on tehnyt "tekosensa" eli mitannut ilmakehän koostumuksen.

Uranus. Kuva: Wikipedia

Samantapaisella missiolla voisi mitata muidenkin jättiläisplaneettojen sekä Saturnuksen Titan-kuun ilmakehät. Tähän mennessä ainoastaan Jupiterin ilmakehästä on suoria paikan päällä tehtyjä mittauksia (Galileo-luotain). Mittaamalla muutkin ulkoplaneetat samaan tapaan (tai edes yksi niistä, kuten Uranus) voitaisiin päätellä ovatko planeetat syntyneet aikoinaan kertymäkiekosta suunnilleen nykyisillä etäisyyksillään, vai ovatko planeetat vaeltaneet syntymänsä jälkeen, kenties jopa vaihtaneet paikkoja. Nämä tapahtuvat ovat ehkä olleet Maan historian kannalta hyvin merkittäviä, koska niiden sivutuotteena pois radaltaan sinkoutuneet ulkoaurinkokunnan pienkappaleet ovat törmäilleet sisäplaneettoihin ja maalanneet mm. Kuun "silmät" eli kaksi suurta törmäysten aiheuttamaa laavatasankoa.


--------
Tämä tutkimus herätti myöhemmin mukavasti keskustelua, mm. Centauri Dreams -blogissa käytiin hyvää keskustelua.

Sähköpurjekolumni 31

Sähköpurjekolumni 25.8.2014

Telakointi on välttämätöntä, paluu ei?

Sähköpurjeesta ei lopu ajoaine, joten se sopisi tehtävään jossa vieraillaan esimerkiksi useilla asteroideilla tai palautetaan näytteitä Maahan. Saavuttuaan asteroidin luokse alus sammuttaisi sähköpurjeen jännitteet asteroidin tutkimisen ajaksi, kunnes lentäisi seuraavalle kohteelle. Avattu liekatakila rajoittaa kuitenkin asteroidin tutkimista: laskeutua ei voi, eikä edes mennä kovin lähelle. Jos aluksessa olisi jokin apumoottori, se voisi tosin lähestyä asteroidia Auringon puolelta ja leijua sen pinnan lähellä ilman kovin suurta vaaraa että pyörivät lieat koskettaisivat asteroidia (sähköpurje-efektiä ei voi tällaiseen leijumiseen käyttää, koska sähköpurjeen työntövoima osoittaa aina enemmän tai vähemmän Auringosta poispäin). Koska asteroidi yleensä aina pyörii, leijuva alus saisi koko pinnan kuvattua melko hyvällä resoluutiolla.

Asteroidin pinnan kuvaaminen Auringon suunnasta ei kuitenkaan ole kovin monipuolinen tapa saada tietoa kohteesta. Olisi parempi päästä kuvaamaan kohdetta eri suunnista, jolloin kraatterien ja kivien luomista varjoista voi laskea pinnan kolmiulotteista muotoa. Pinnan valottoman osan kuvaaminen infrapuna-alueessa puolestaan antaa tietoa sen termisestä inertiasta, mikä on yhteydessä pintakerroksen fysikaalisiin ominaisuuksiin.

Asteroideja ja komeettoja löytyy moneen lähtöön - tutkimista riittää! Kuva: Sun.org

Asteroidia tutkiva tiedemies tai kaivostoiminnasta kiinnostunut yritys haluaisi kompaktin aluksen, joka pystyy kääntämään itsensä mihin tahansa asentoon saadakseen kiinteästi asennetuille instrumenteilleen parhaan näkymän. Aluksen pitää pystyä myös leijumaan asteroidin lähellä millä puolella tahansa, laskeutumaan pinnalle, ehkä keräämään näytteitä, ja nousemaan taas takaisin. Ajoaineen säästämiseksi kaikkia manöövereitä ei välttämättä tarvitse tehdä kylmäkaasumoottoreilla, vaan aluksen sisällä oleva liikkuva massa tai epäkesko voisi saada aluksen hyppäämään pinnalla toiseen paikkaan tai kokonaan pois asteroidilta.

Jos luotain laskeutuu ja pomppii pinnalla, sähköpurjelieat eivät mitenkään voi pysyä leikissä mukana. Liekojen vetäminen takaisin sisään olisi periaatteessa mahdollista, mutta uudelleen ne todennäköisesti eivät enää avautuisi, koska niissä olisi siellä täällä mikrometeoroidien rikkomia lankoja, jotka voisivat jumittaa avaamisen. Miten siis saada luotain seuraavalle asteroidille tai kerätyt näytteet Maahan tutkittavaksi?

Ilmeinen ratkaisu on aluksen jakaminen kahteen osaan, jotka voidaan erottaa toisistaan ja taas telakoida yhteen. Laatikkomainen laskeutuja irtoaa sähköpurjealuksesta, joka jää odottamaan turvallisen matkan päähän. Kun laskeutuja on tutkinut kohteen, se palaa omilla moottoreillaan takaisin sähköpurjealuksen luo ja telakoituu siihen, minkä jälkeen kaksikon matka jatkuu seuraavalle asteroidille. Autonominen telakointi hitaasti pyörivään sähköpurjealukseen kaukana Maasta on ohjelmointitehtävä, jonka teknisiä haasteita ei kannata väheksyä, mutta mitään ylitsepääsemätöntä siihen ei sisälly. Jos aluksen pitää muutenkin osata laskeutua asteroidin pinnalla tiettyyn paikkaan, "laskeutumisen" sähköpurjealukselle luulisi olevan jopa hieman helpompaa.

Perinteiset menetelmät eivät siihen juuri kykene, mutta sähköpurjealuksen päättymätön ajokyky tekee mahdolliseksi tutkia useita asteroideja ja haluttaessa palauttaa näytteitä Maahan. Telakointia kuitenkin tarvitaan.

COSMOS - COSPARin yleiskokous Moskovassa 2.-10.8.2014

Viideskymmenes Cospar-kokous järjestettiin Moskovassa kesän kuumimpaan aikaan elokuun alussa. Suomestakin oli paljon osallistujia ja kokouspaikalla oli mahdotonta liikkua törmäilemättä muihunkin tuttuihin vuosien varrelta. Olin esittelemässä sähköpurjeella toteutettavaa Marsin valloitusta. Ideana on hakea vettä asteroideilta ja tuoda se sähköpurjeilla Maan ja Marsin kiertoradoille, joissa vesi sitten hajoitetaan vedyksi ja hapeksi. Nesteytettynä vety ja happi ovatkin sitten käyttövalmista rakettipolttoainetta (LOX/LH2), jota voidaan käyttää alusten tankkaamiseen ja näin laukaisumassat Maasta muodostuvat varsin kohtuullisiksi. (kts.myös aiempi sähköpurjeblogin kirjoitus Marsin valloituksesta, sekä kokouksen jälkeen 3.9.2014 Acta Astronauticaan lähetetty tieteellinen artikkeli aiheesta.):

Cosparissa esitetty sähköpurjeposteri.

Cospar on iso kokous, nytkin normaalia pienempänä se veti yli 3000 tiedenaista- ja miestä keskustelemaan avaruudellisista asioista Titan-kuun meristä (pinnalla näkyvissä järvissä olisi metaania ihmiskunnalle 100 000 vuoden polttoainetarpeiksi!) aina rustosolujen tubuliinitukirankojen erilaisiin kasvukuvioihin painottomuudessa (solut sopeutuvat ja palautuvat yllättävänkin hyvin). Kuultiinpa myös avaruudessa pisimpään eläneestä organismista (sitruunapuu, yli 2 vuotta) ja monista tulevaisuuden mielenkiintoisista missioideoista...

Suomalaisedustusta Cosparissa: Kirsti Kauristie, Tuija Pulkkinen, Minna Palmroth ja Sini Merikallio. Taustalla Moskovan yliopiston massiivinen rakennus.
Kuva: Giancarlo Genta.

Ote ohjelmalehtisestä.

Sähköpurje liiteli paraatipaikalla myös juuri ennen avajaisia järjestetyssä tieteellisessä "pyöreän pöydän keskustelussa", jossa sain kunnian pitää alustuksen sähköpurjeen toiminnasta ja käyttökohteista. Muina panelisteina oli mm. Cosparin presidentti, prof. Giovanni Bignami, jonka puhe kuultiin myös Suomen Cosparin 50-vuotisjuhlissa keväänä (tuon tilaisuuden puheet, ml. Pekan sähköpurjepuhe, ovat nähtävillä Youtubessa). Yhteensä kaksi tuntia kestäneessä keskustelussa vastailin sitten todella hyviin ja perustavanlaatuisiin kysymyksiin sähköpurjeen toiminnasta. Tosin sivussa jouduin ottamaan kantaa myös warppiajon mahdollisuuksiin ja astronauttivalintojen vaikeuteen, mutta pääsinpä mainostamaan suomalaisten amatöörien upeita eksoplaneettalöytöjäkin - Härkämäki rulettaa!

Pyöreä pöytä, vasemmalta: Giovanni Bignami, Sini Merikallio, Giancarlo Genta, Leonid Ksanfomality ja Roberto Ragazzoni. Kuva: Minna Palmroth.

Kokouksen kohokohtana oli kuitenkin Rosetta -aluksen saapuminen komeetta 67P:n (Churyumov-Gerasimenko) kupeeseen. Seurasimme lähestymistä täpötäydessä auditoriossa tiedeporukan kanssa, joista suurella osalla oli ollut näpit jotenkin mukana tässä isossa proggiksessa. Tuntuu epätodelliselta ajatella sen avaruusaluksen, jonka viimeksi näki EMC-testeissä ESTEC:ssä vuosia sitten, olevan nyt yli neljänsadan miljoonan kilometrin päässä komeettaa kiertämässä (noiden testien valvojaksi lähteminen oli ensimmäisiä, ellei peräti ensimmäinen, ulkomaan työmatkani). Sähköpurjeen kehityksen myötä tulevaisuuden avaruusmissiot eivät ehkä kestäkään enää kymmeniä vuosia – Rosettakin olisi sähköpurjeella voitu toimittaa kohteeseensa vain parissa vuodessa, kun sillä nyt meni matkaansa reilut kymmenen vuotta. Polttoainetankit eivät myöskään kerrasta tyhjentyisi, vaan samalla matkalla voitaisiin halutessa poiketa useammankin kohteen kautta, vaikkapa koukkaamalla asteroidivyöhykkeelle kiertoajelulle (kts. blogin aiempi kirjoitus).

Kunnon sadekuurot ilahduttivat loppuviikkoa kuumien ja auringonpaahteisten päivien keskellä.

Cosparin kuumat vuodet jatkuvat; kahden vuoden kuluttua lentokoneet suuntaavat Istanbuliin ja neljän vuoden kuluttua avaruus kondensoituu Malesiassa.

Matkailuterveisin Suomen Cosparin kansalliskomitean sihteeri,

                           Sini Merikallio

Punainen tori on yllättävän pieni, vino ja huonopintainen - siinä on varmasti ollut kieli keskellä suuta sillä nuorella saksalaisella, joka 80-luvulla laskeutui tuonne Cessnansa kanssa... 

JK. Kokouksen jälkeen oli hieman aikaa pyörähtää Moskovassakin, joten suunta otettiin luontevasti kohti eläintarhaa. Olikin mukavaa nähdä isolta osaltaan hienoksi restauroitu tarha, jossa monilla eläimillä oli suhteellisen hyvät olot: jääkarhuilla mm. oli ihan oma jääkone, josta tiputteli tasaiseen tahtiin jäähilettä pieneksi kasaksi, jossa oli hyvä kesäkuumallakin köllötelä. Toivottavasti isojen krokotiilienkin tilat uusitaan pian, ne kun tuskin mahtuivat täysin suoristumaan pienissä kopeissaan. Orankien touhuja olisi voinut seurailla tuntikausia - "metsän ihmisten" meno oli todella tutun oloista. Yksi orankineidoista työnsi lasin reunan välistä minulle pienen tikun, jonka sitten sitä "tutkittuani" ja hajustettuani työnsin raosta takaisin odottavalle orangille. Hetken vedimme yhtä tikkua ja tarkkaan se sitten tulikin nuuskittua ja mutusteltua lasin toisella puolen. Näitä mahtavia otuksia täytyy joskus päästä näkemään niiden omassa luonnollisessa ympäristössäkin - toivottavasti tuota nyt kovin nopeasti katoavaa ympäristöä ja elintilaa orangeillekin vielä tulevaisuudessa riittää!

Sähköpurje komeasti esillä EU:n tutkimus- ja innovaatiolehdessä

 

Tämä kuva on EU:n jutussa pienenpienenä, joten tässä isompi versio: Pekka Janhunen sähköpurjeen tiimikokouksessa Pisassa 2012. Kuva: Sini Merikallio

EU:n Horizon-lehdessä käsitellään sähköpurjetta ja sen mahdollisuuksia aurinkokuntamatkailuun jutussa "Crossing the solar system on a 400 square km solar sail". Sähköpurjeen toimintaperiaatteen ja mikrometeoriittihaasteen lisäksi jutussa käsitellään ESTCube-1 satelliitin tulevaa liekatestiä.

ESTCube-kokous, Tõravere 9.-11.7.2014

ESTCube-1:sen liekakokeen alkamisesta käydään parhaillaan keskusteluja Tartun liepeillä Tõraveressä. Myös tulevia kokeita ja satelliitteja, sekä seuraavia Estcubeja, suunnitellaan jo kovalla höökillä nelisenkymmenen osallistujan voimin.

Ilmatieteen laitokselta paikalla ovat Pete, Jouni, Sini ja Pekka.

ESTCube-1:sen signaalit näkyvät yläruudussa vaakasuorina viivoina.

Normaalin avaruudessa purjehtimisen sijaan ESTCube-tiimi kävi Emäjoella etenemässä. Aluksessamme, viikinkilaiva Turmissa, oli kyllä lieat, mutta niissä ei ollut jännitettä (eikä ihan aurinkotuulessakaan oltu), joten jouduimme siis itse soutuhommiin! 

Ryhmäkuva Workshopin osallistujista Tartun Observatorion edustalla.

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.

 

Myös Tiedetuubi bloggasi tästä aiheesta.

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.

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.