Sähköpurje mahdollistaa miehitetyn Mars-liikenteen järkihintaan

 Jos sähköpurjeilla haetaan vettä asteroideilta ja tehdään siitä nestevetyä ja nestehappea Maan ja Marsin kiertoradoilla, edestakaisen miehitetyn Mars-lennon kustannukset putoavat dramaattisesti, koska alus voidaan tankata molemmissa päissä. Edestakaisin liikennöivät alukset mahdollistaisivat ihmisen jatkuvan läsnäolon Marsissa hintaan joka ei olisi olennaisesti korkeampi kuin nykyisen Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) ylläpitokustannukset.

Sähköinen aurinkotuulipurje (http://www.electric-sailing.fi) tarjoaa uudenlaisen, ajoaineettoman tavan liikkua aurinkokunnassa. Tämä mahdollistaa asteroidien kaivostoiminnan ja sieltä löydettävän veden kuljettamisen Maan ja Marsin kiertoradoille. Kiertoradalla vesi hajotetaan vedyksi ja hapeksi, jotka nesteytettynä toimivat rakettipolttoaineena. Kiertoradalla tehtävät välitankkaukset pienentävät huomattavasti planeettojen pinnalta laukaistavaa massaa, koska pinnalta täytyy laukaista ainoastaan miehistö, ruoka ja tarvikkeet, eikä koko matkan polttoaineita. Näin huojennetaan huomattavasti avaruusmatkailun kuluja ja mahdollistetaan jatkuvat edestakaiset miehitetyt lennot Maan ja Marsin välillä.

Aluksi kartoitetaan veden kaivostoimintaan sopivat asteroidit, jonka jälkeen niille lähetetään kaivosyksiköt. Näissä periaatteiltaan yksinkertaisissa yksiköissä asteroidimateriaalia kuumennetaan, jotta sen sisältämä vesi saadaan höyrystymään. Höyry johdatetaan kylmään säiliöön, jossa se tiivistyy vedeksi. Säiliön täytyttyä se hinataan Maan tai Marsin kiertoradalle tankkausasemalle sähköpurjeella, missä siitä tehdään rakettipolttoainetta tankattavia aluksia odottamaan. Maan pinnalta laukaistu miehistöalus tankataan ensimmäisen kerran Maan kiertoradalla ja tehdään rakettipoltto kohti Marsia. Matkan aikana miehistön säteilysuojana käytetään asteroidiperäistä vettä, mikä pienentää Maasta laukaistavaa massaa entisestään. Marsin radalla tankataan uudelleen paluumatkaa varten. Lisäksi jos Marsin radalla tankataan yhden ylimääräisen kerran, voidaan suorittaa täyspropulsiivinen laskeutuminen Marsiin, jolloin painavaa ja kallista lämpökilpeä ei tarvita.

Arvioimme että näiden sähköpurjeen ja asteroidien kaivostoiminnan mahdollistamien parannusten ja kerrannaisvaikutusten jälkeen edestakainen miehitetty liikenne ja ihmisen jatkuva läsnäolo Marsissa ei olennaisesti ylittäisi nykyisen Kansainvälisen avaruusaseman (ISS) ylläpitokustannuksia. 

Janhunen, P., S. Merikallio and M. Paton, EMMI—Electric solar wind sail facilitated Manned Mars Initiative, Acta Astronautica, 113, 22-28, 2015, ISSN 0094-5765, http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.03.029, http://arxiv.org/abs/1409.1036

Sähköpurje mahdollistaa asteroidien kaivostoiminnan, josta saatava vesi voidaan jalostaa rakettipolttoaineeksi. Näin mahdollistuu järkevänhintainen miehitetty liikenne Maan ja Marsin välillä.

 

Sähköpurjekolumni 34

(Kyseisen Avaruusluotain-lehden numeron teemana oli avaruustekniikan epäonnistumiset.)

Kuten tunnettua, ESTCube-1:n liekakoe epäonnistui. Virolaisten rakentama satelliitti toimi, mutta meidän liekarullamme ei jaksanut pyöriä joten sähköpurjelieka ei avautunut ja sähköpurje-efekti jäi mittaamatta.

Elokuussa 2012 ESTCUbe-1 -tiimi sai tarjouksen ilmaisesta laukaisusta, jos satelliitti luovutetaan jo tammikuussa 2013 eikä toukokuussa kuten siihen asti oli suunniteltu. Tarjous hyväksyttiin koska siten säästettiin rahaa. Aikataulun nopeutuminen lähes puolella aiheutti valtavan kiireen. Täristystestiä ehdittiin kuitenkin tekemään, ja siinä liekarulla alkoi odotusten vastaisesti pyöriä jonkin rullamoottorin sisäisen resonanssin takia. Tuon estämiseksi improvisoitiin rullalle laukaisulukko. Uutta täristystestiä ei kuitenkaan ehditty tehdä. Uudessa testissä olisi todennäköisesti paljastunut että rullan liukurenkaaseen syntyy tärinässä pieni kuoppa paikkaan jossa sähköisen kontaktin antava läystäke painaa sitä, ja että melko heikkovoimainen magneetiton pietsomoottorimme ei jaksa vääntää läystäkettä ylös kuopasta. Tämä huomattiin myöhemmin Aalto-1:n liekakoetta rakennettaessa ja se korjattiin ripustamalla läystäke omalla laukaisulukollaan irti liukurenkaasta.

ESTCube-1 jaksoi toimia lähes pari vuotta. Huolimatta satelliittiin jääneestä magneettisesta epäpuhtaudesta se saatiin lopulta pyörimään jopa 2 kierrosta sekunnissa, mikä saattaa olla satelliittien epävirallinen maailmanennätys. Myös sähköpurjekokeeseen kuulunut elektronitykki toimi. Tämä kaikki on erittäin rohkaisevaa seuraavia missioita ajatellen. Lopulta satelliitti sammutettiin, kun aurinkopaneelien ikäännyttyä se ei enää pystynyt tuottamaan riittävästi sähköä toiminnan jatkamiseen ja satelliitista oli jo saatu kaikki oppi mitä se pystyi antamaan.

Seuraava liekakoe lentää Aalto-1 -satelliitin mukana loppuvuodesta, ja se luovutettiin aaltolaisille pääsiäisen alla. ESTCube-1 -kokeen tunnetut ongelmat on korjattu ja testejä on tehty enemmän. Kokeessa on myös mukana enemmän diagnostiikkaa, eli jos jotain kaikesta huolimatta menee pieleen, pystymme paremmin haarukoimaan vikaa.

Vaikka jokaisen kokeen kohdalla toivotaan ennakko-odotukset ylittävää ihmesuoritusta, tilastollisesti ajatellen kokeiden ajoittainen epäonnistuminen on tyypillistä tehokkaalle ja järkevälle toiminnalle. Juuri tänään luin että SpaceX oli jälleen epäonnistunut kantorakettinsa palauttamisessa, vaikka toki lento onnistui siinä mielessä että asiakkaan hyötykuorma pääsi perille. Aikanaan myös esimerkiksi Neuvostoliiton Venus-ohjelma ylsi hyvin korkeisiin saavutuksiin, vaikka useat sarjan luotaimista toisaalta myös epäonnistuivat. Tässä ei ole mitään uutta tai mystistä, ja esimerkiksi maanpäällisessä liike-elämässä järkevä suhtautuminen riskeihin on useimmille itsestään selvää. Samat todennäköisyyslait pätevät avaruustoiminnassakin.

Avaruuden purjelaiva

Sähköpurje on jo innoittanut muusikoitakin biisien tekoon. IVB pääkaupunkiseudulta on julkaissut varsin koskettavan "Avaruuden purjelaiva"-balladin, jonka voi kuunnella Mikseristä: http://www.mikseri.net/artists/ivb/avaruuden-purjelaiva/565815/
"Tämä biisi sai alkunsa siitä kun me puhuttiin treenikämpällä avaruuspurjeesta" kertoo yhtyeen kitaristi Tuomas Mennola. Myös biisin uudella videolla nähdään sähköpurjemateriaalia:

Ensimmäinen E-sail väitös: aiheena sähköpurjeliean valmistus

Henri Seppänen väittelee tiistaina 10.3. klo 12 osoitteessa Siltavuorenpenger 1A, auditorio A132 (eli entisen fysiikan laitoksen sali 1; tuossa vanhassa tiilirakennuksessa toimii nykyään yliopiston psykologian laitos). Vastaväittäjänä toimii Jörg Wallaschek. Väitöskirjan aihe "Ultrasonically manufactured space tether" liittyy sähköpurjeliean valmistukseen. Henrin johdolla valmistettiin vuonna 2012 maailman ensimmäinen 1 km pituinen sähköpurjelieka Helsingin yliopiston Elektroniikan tutkimuslaboratoriossa.

Kyseessä on samalla ensimmäinen, mutta tuskin viimeinen, sähköpurjeaiheinen väitös!

Sähköpurjetiimi toivottaa Henrille tsemppiä väitökseen!

Henri Seppänen valmiina väitökseen!

 ---

Henri Seppänen will defend his PhD thesis "Ultrasonically manufactured space tether" on Tuesday March 10th 2015, at noon in lecture hall Psychologicum Auditorio A132 (ent sali 1) at the University of Helsinki, Siltavuorenpenger 1A. The invited faculty opponent is Professor Jörg Wallaschek.

Henri Seppänen is the original Mr. Tether Factory, he was at helm when the world's first 1 km long E-sail tether was successfully produced as part of the ESAIL FP7 project in 2012.

Good luck Henri!!

Sähköpurjekolumni 33

Sähköpurjekolumni 7.2.2015

ESTCube-1:ssä on kaksi postimerkin kokoista ja melkein yhtä litteää 500 voltin elektronitykkiä. Tykissä on katodi jonka nanografiittipinnassa olevien terävien grafeeniharjanteiden kohdalla sähkökenttä vahvistuu niin isoksi että harjanteista irtoaa elektroneja. Sähkökentän muodostaa hyvin lähellä katodia oleva metallinen anodiverkko. Tämä melko eksoottinen rakenne valittiin, koska ESTCube-1:n kokoisessa 1-U satelliitin tehobudjetti ei riitä perinteisen hehkukatodin käyttämiseen. Tykit rakensi Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorio.

ESTCube:n elektronitykkejä koekäytettiin tammikuussa. Ensimmäinen tykki ei antanut mitään elonmerkkiä eikä kuluttanut lainkaan tehoa. Todennäköisesti tykin liitin on irronnut laukaisutärinän takia. Toinen tykki sen sijaan toimi. Sitä käytettiin kolmeen otteeseen radan eri kohdissa. Neljännellä yrityksellä tykki ei kuitenkaan enää toiminut vaan näytti menneen oikosulkuun. Oikosulun syynä saattaa olla esimerkiksi mikrometeoroidi joka on osunut anodiverkkoon ja repäissyt sitä niin että jokin irtonainen metallilanka koskettaa vieressä olevaa katodia.

Nyt tiedetään että Jyväskylän kylmäkatoditykki voi toimia avaruudessa ja kestää suojaamattomana ainakin 20 kuukauden ajan LEO-radan atomaarisen hapen kemiallista rasitusta. Tämä on hyvä uutinen ainakin Aalto-satelliitin kannalta, johon tulee neljä samantapaista elektronitykkiä. Aalto-1:n tykeissä käytetään kaksinkertaista eli yhden kilovoltin jännitettä. Tämä vähentää oikosulun riskiä, koska katodin ja anodin välinen etäisyys on kaksinkertainen.

NASA on kiinnostunut sähköpurjeesta ja on alkanut puhua aurinkotuulitestimissiosta ja sähköpurjeen käytöstä heliopausin läpi lentämiseen. Marshall Space Flight Centerin Bruce Wiegmann piti sähköpurjeesta 29.1.2015 NIAC-kokouksessa puolen tunnin pituisen esitelmän. Yleisönä oli mm. NASA:n pääteknologi Ellen Stofan ja SETI:stä ja Draken yhtälöstä tunnettu Frank Drake. En ollut tuossa Floridan NIAC-kokouksessa paikalla, mutta vierailin Marshallissa joulukuussa. Olen heidän NIAC-hankkeessaan mukana ulkoisena asiantuntijana. Brucen esitelmän voi katsoa videona aiemmasta sähköpurjeblogituksesta.

Sähköpurje-esitelmä NASA NIAC-symposiumissa

NASA Marshall Space Flight Center tutkii myös sähköpurjetta saamansa NIAC-apurahan turvin. NIAC eli NASA Innovative Advanced Concepts on NASA:n toimisto joka tutkii ja rahoittaa innovatiivista avaruustutkimusta USA:ssa. Marshallin Bruce Wiegmann piti aiheesta NIAC:in seminaarissa puolen tunnin (20 min esitys, 12 min kysymykset) esityksen jonka voi katsoa videolta jälkikäteen osoitteesta http://new.livestream.com/viewnow/NIAC2015/videos/75333785. Tuossa videossa on kolme esitelmää ja meidän on viimeinen eli kelaa video ensin kohtaan 1:01:45. [Jos videolinkki ei toimi suoraan vaan heittää NIAC-esitelmien pääsivulle http://new.livestream.com/viewnow/NIAC2015/, hae sivulta kolmas video ylhäältä (keltainen, KRAKEN MARE) ja mene siinä tuohon kohtaan 1:01:45.]
Kohdassa 1:23:10 Frank Drake yleisön joukosta kommentoi että (kuten tunnettua) liekojen keskinäisen repulsion pitäisi auttaa niiden pysymistä toisistaan erillään ja että sähköpurje näyttäisi mahdollistavan myös matkan auringon gravitaatiofokukseen järkevässä ajassa eli 40 vuodessa. Gravitaatiopolttopisteestä alkaen alus voisi käyttää aurinkoa teleskooppina ja mm. pystyä näkemään vastakkaisella suunnalla olevia eksoplaneettoja ylivoimaisella erotuskyvyllä. (Matka auringon gravitaatiopolttopisteeseen on tosin 550 au eikä 400 au.)

Sähköpurjekolumni 32

Sähköpurjekolumni 13.11.2014

ESTCube-1 -satelliitin (virolaisten opiskelijoiden rakentama 1 kg painoinen CubeSat, joka laukaistiin toukokuussa 2013) liean avaamiskomennot aloitettiin syyskuun puolivälissä. Avaaminen ei onnistunut, mikä pääteltiin siitä että liean kärkimassa ei ilmestynyt kameran näkökenttään. Tuosta alkoi salapoliisityö jonka tavoitteena on selvittää mitä oli tapahtunut. Työ on edelleen kesken. Tiedämme että moottori jonka pitäisi pyörittää liekarullaa kuluttaa tehoa kun se laitetaan päälle. Myös rullaa paikoillaan pitänyt sekä liean kärkimassan paikoilleen sitonut laukaisulukko kuluttavat oikean määrän tehoa kun virta ohjataan kulkemaan niissä olevan vastuksen läpi jolloin vastuksen vieressä olevan muovilangan pitäisi sulaa poikki ja vapauttaa lukon jousimekanismi. Aluksen asentodata viittaa siihen että liekarulla ei pyöri vaikka moottori käy, mutta tieto on toistaiseksi vähän epävarma. Jos näin on, silloin pettänyt osa on todennäköisesti rullaa paikoillaan pitänyt laukaisulukko: se ei jostain syystä päästä rullaa pyörimään vaikka muovilanka on todennäköisesti sulanut poikki. Tämä ei olisi siinä mielessä yllättävää että kyseinen mekaaninen osa on juuri se joka jouduttiin aikanaan improvisoimaan lyhyessä ajassa, kun täristyskoe osoitti että moottorin sisäinen kitka ei riitä estämään liekarullaan pyörimistä laukaisutärinän aikana.

Syksyn aikana ESTCube-1 teki todennäköisesti satelliitin pyörimisnopeuden epävirallisen maailmanennätyksen: yli kaksi kierrosta sekunnissa. Pyöriminen saavutettiin pelkillä magneettivääntimillä, eli satelliitin sivupaneeleissa oleviin magneettikeloihin johdetaan virtaa sopivassa tahdissa, jolloin syntyvä magneettinen momentti vääntää satelliitti Maan magneettikentän suhteen. Ennätys syntyi huolimatta satelliitissa olevasta magneettisesta epäpuhtaudesta. Magneettisen epäpuhtausongelman kiertäminen ohjelmoinnilla oli pääasiallinen syy siihen että liekakoetta päästiin yrittämään vasta yli vuoden päästä satelliitin laukaisusta.

ESTCube-1:n aurinkopaneelit. Kuva: Wikipedia

ESTCube-1:n aurinkopaneelien tuottama teho putosi melko rajusti satelliitin ensimmäisen kuukauden aikana, mutta sen jälkeen putoaminen on ollut hidasta. Arvelemme tehonpudotuksen johtuvan siitä että aurinkopaneelien peittona ei ollut laseja suojana matalan kiertoradan atomaarista happea vastaan. Sähkön niukkuus ei ole estänyt minkään operaation tekemistä satelliitilla, mutta se on hankaloittanut ja hidastanut operointia koska satelliitin akkujen latausjaksot ovat olleet pitkiä. Satelliitin ohjelmistoja on päivitetty kymmeniä kertoja ja nykyiset ohjelmat mm. säästävät sähköä aggressiivisesti kytkemällä alijärjestelmät pois päältä heti kun niitä ei tarvita.

Tällä hetkellä näyttää siltä että sähköpurje-efektin mittaus jää Aalto-1 -satelliitin tehtäväksi, mutta monilta osin ESTCube-1 oli myös suuri menestys.