Sähköpurjekolumni 35

(Kyseisen Avaruusluotain-lehden numeron teemana oli teknologia avaruusscifin taustalla.)

Kalpana 1 -habitaatti (nss.org).

Aurinkokuntaan olisi mahdollista rakentaa siirtokuntia asteroidien raaka-aineista. Ajatus on vanha ja esimerkiksi 1970-luvulla Gerard O'Neill tutki asiaa opiskelijoidensa kanssa.  Tullakseen toimeen avaruudessa ihminen tarvitsee paineistuksen, säteilysuojan ja keinopainovoiman.  Sopiva rakenne on noin kymmenen kilometrin halkaisijainen ja saman pituinen pyörivä sylinteri.  Sylinterin kymmenen metriä paksu hiilikuituseinä kestää paineistuksen ja keskipakoisvoiman ja on Maan ilmakehän veroinen säteilysuoja.  Normaalipainovoimaista pinta-alaa on sylinterin sisäpinnalla 300 neliökilometriä ja sylinterin massa on 6 miljardia tonnia eli vähän kevyempi kuin Rosettan tutkima Churyumov-Gerasimenko -komeetta.

Kalpana 1 sisältä.

Jos kymmenesosa asteroidivyöhykkeen painavimmasta kappaleesta eli kääpiöplaneetta Ceresistä hyödynnettäisiin raaja-aineena, se riittäisi 15 miljoonaan avaruuskaupunkiin, joiden kokonaispinta-ala olisi 5 miljardia neliökilometriä, eli 30 maapalloa jos valtameret jätetään pois.  Kuiperin vyöhykkeellä olisi käytettävissä raaka-ainetta vielä satoja kertoja asteroidivyöhykettä enemmän, ja Oortin pilvessä karkeiden arvioiden mukaan vähintään satoja tuhansia kertoja enemmän. Siis jopa miljoonia kertoja enemmän pinta-alaa kuin Maassa, ja tuo pelkästään omassa aurinkokunnassamme.

Pluton typpijäätiköissä olisi raaka-ainetta suureen määrään hengitysilmaa (cbsnews.com).

Miten on mahdollista että aurinkokunnan pienkappaleista voisi rakentaa noin paljon enemmän pinta-alaa kuin kokonainen planeetta tarjoaa? Planeetta on massamielessä erittäin tehoton tapa tuottaa elintilaa, koska suurin osa massasta on piilossa planeetan sisällä ja sen ainoa tehtävä on tuottaa painovoimakenttä. Jos rakennetaan pyöriviä sylintereitä joissa painovoima tuotetaan keskipakoisvoimalla, massaa tarvitaan noin miljoona kertaa vähemmän, eli koko maapallon massan sijaan tarvitaan vain maan ilmakehän verran ainetta.

Kääpiöplaneetta Ceres (nasa.gov).

Raaka-aineiden nostaminen esimerkiksi Cerekseltä (pakonopeus puoli kilometriä sekunnissa) voidaan tehdä esimerkiksi raketilla tai avaruushissillä. Cereksen raaka-aineista rakennetut kaupungit voidaan jättää kiertämään Cerestä, jolloin ne ovat helpon matkan päässä toisistaan, vaikkakin kaukana Maasta ja muiden asteroidien siirtokunnista.

Mitä tarvitaan jotta tähän päästäisiin? Tarvitaan tehokas tapa päästä asteroideille, esimerkiksi sähköpurje. Tarvitaan asteroidien kaivostoimintaa. Tarvitaan osien valmistusta ja laitteiden kokoonpanoa avaruudessa. Tarvitaan robottiluotaimiin sen verran älyä että jokaista liikettä ei tarvitse ohjelmoida etukäteen, koska kommunikaatioviive asteroideille on noin tunti.

Tällä hetkellä tonnin massan toimittaminen maasta asteroidille maksaa noin puoli miljardia. Se on noin kahdeksan kertalukua liikaa jotta avaruuden siirtokunnat löisivät taloudellisesti leiville. Kahdeksan kertalukua on suuri haaste, mutta periaatteellista alarajaa yksikköhinnalle ei ole, kunhan asteroidien kaivostoimintaa käytetään tehokkaasti hyväksi.  Monet arkipäiväiset koneet pystyvät käsittelemään elinaikanaan yllättävän suuren massan verrattuna omaan painoonsa. Esimerkiksi jos kuorma-autolla ajetaan soraa muutaman kymmenen kilometrin päähän, tavaraa siirtyy auton elinaikana kymmeniä tuhansia kertoja enemmän kuin auton oma paino. Jos kaivoksen tuotteista rakennetaan toinen isompi kaivos, massakerroin korottuu toiseen potenssiin. Kymmenen tuhatta potenssiin kaksi onkin jo kahdeksan kertalukua.

NASAn toisen vaiheen NIAC rahoitusta sähköpurjeprojektille

NASA on päättänyt antaa NIAC:in toisen vaiheen rahoitusta Nasa Marshall Space Flight Centerin HERTS sähköpurjeprojektille! HERTSin lisäksi kuusi muutakin projektia sai jatkorahoituksen. Puolen miljoonan taalan projektin on määrä kestää kaksi vuotta. Pekka on mukana HERTS-tiimissä suuntaviivoja näyttämässä.

Alkuperäinen uutinen löytyy täältä:
http://www.nasa.gov/press-release/from-satellite-swarms-to-interstellar-submarines-nasa-selects-leading-edge-technology
Popular Science teki aiheesta infovideon:

Aiheesta muualla:

Popular Science:
http://www.popsci.com/nasas-plan-sail-past-out-our-solar-system

Parabolic Arc:
http://www.parabolicarc.com/2015/07/06/nasa-funds-7-niac-phase-ii-proposals/comment-page-1/

Suomeksi Tiedetuubi:
http://www.tiedetuubi.fi/avaruus/nasa-valitsi-suomalaiskeksinnon-jatkokehitetykseen

Puolaksi:
http://kopalniawiedzy.pl/NASA-Innovative-Advanced-Concepts-NIAC,22734

Skynet:
http://www.skynetchronicles.com/2015/07/07/heliopause-electrostatic-rapid-transit-system-herts/

Espanjaksi:
http://es.gizmodo.com/la-nasa-probara-su-propia-nave-con-unas-enormes-velas-s-1716604937
Network World
http://www.networkworld.com/article/2945492/data-center/nasa-s-cool-radical-and-visionary-concepts.html#slide7

Popular Mechanics
http://www.popularmechanics.com/space/a16346/nasa-niac-phase-ii-2015/ 

Next Big Future
http://nextbigfuture.com/2015/07/heliopause-electrostatic-rapid-transit.html

Aurinkotuulen avulla Marsiin - Uutistamossa juttu EMMIstä

Uutistamossa on julkaistu Pekan kirjoittama juttu EMMIstä:
http://www.uutistamo.fi/aurinkotuulen-avulla-marsiin/

1. Pekka Janhunen, Sini Merikallio, Mark Paton. EMMI—Electric solar wind sail facilitated Manned Mars Initiative. Acta Astronautica, 2015; 113: 22 DOI: 10.1016/j.actaastro.2015.03.029

EMMI nousi medialentoon

Julkaisimme pari päivää sitten tiedotuksen sähköpurjeen käytöstä miehitettyjen Mars-lentojen toteuttamisessa (FMI:n tiedote, englanniksi). Tässä pieni koonti median reagoinneista:

Kotimaisista nopeimmin reagoivat Helsingin Sanomat ja Tiede.fi, myös painetussa Hesarissa oli lyhyt juttu aiheesta. Tekniikka ja Talous hyppäsi myös pian kelkkaan.

Finnfacts julkaisi aiheen suomeksi ja englanniksi, muttei ainakaan vielä kääntänyt tarinaa kiinaksi.

Ulkomaiset mediat lähtivät hanakasti matkaamme kohti Marsia:

Next Big Future blogasi pitkälti ja laajasti taustoitetun, mikä herätti paljon keskustelua.

ScienceDaily on loistava tiedeviestintäfoorumi, reilussa vuorokaudessa facebook-jakoja oli lähes 700 - sometuksia yhteensä päälle tuhat kpl! Tämä poiki myös paljon jatkoblogauksia, mm. humoristisesti otsikoidun "ARM is so controversial that even the Finns have an alternative plan". (ARM on lyhenne NASAn Asteroid Redirect Missionille)

Lista on pitkä, tässä jokunen hakutyökaluilla löytynyt uutisointi:

Business Standard
http://www.business-standard.com/article/news-ians/e-solar-wind-sail-for-cheap-flight-to-mars-115042800732_1.html

Phys.org
http://phys.org/news/2015-04-electric-solar-bidirectional-mars-flights.html

Technology.org
https://www.technology.org/2015/04/28/electric-solar-wind-sail-could-dramatically-reduce-costs-of-missions-to-mars/

ScienceDailyn uutisointia jaettiin laajalti somessa. http://www.sciencedaily.com/releases/2015/04/150427082545.htm

Science World Report
http://www.scienceworldreport.com/articles/24891/20150428/solar-wind-sail-make-human-flight-mars-back-earth-possible.htm

Aerospace-technology.com
http://www.aerospace-technology.com/news/newsresearchers-find-way-use-asteroid-mined-water-bidirectional-manned-mars-flights-4566178

PC/Tablet
http://www.pc-tablet.co.in/2015/04/29/7983/e-sail-tech-to-utilize-water-mined-from-asteroids-for-two-way-unmanned-trips-in-solar-system/

Design, products & applications
http://www.dpaonthenet.net/article/92191/Solar-wind-might-propel-spacecraft-to-Mars-and-back.aspx

RD Mag
http://www.rdmag.com/news/2015/04/electric-solar-wind-sail-could-make-bidirectional-manned-mars-flights-economically-feasible

Orlando Echo
http://www.orlandoecho.com/index.php/sid/232356187

NZ Heath Tec
http://www.nzhealthtec.com/electric-solar-wind-sail-could-dramatically-reduce-costs-of-missions-to-mars/

NH Voice
http://nhv.us/content/15042324-two-way-manned-mars-flights-can-be-made-possible-electric-solar

MFMonitor
http://www.microfinancemonitor.com/2015/04/28/e-sail-e-solar-wind-sail-for-cheap-flight-mars-manned-mission-miad-air-refuelling/

WebTechKing.com
http://www.webtechking.com/electric-solar-wind-sail-could-dramatically-reduce-costs-of-missions-to-mars/

Gizmag
http://www.gizmag.com/electric-solar-wind-sail-mars/37222/

Innovation Toronto
http://www.innovationtoronto.com/2015/04/electric-solar-wind-sail-could-make-bidirectional-manned-mars-flights-economically-feasible/

Hexapolis
http://www.hexapolis.com/2015/04/30/spacecraft-sails-pushed-by-solar-winds-could-be-the-future-of-economic-missions-to-mars/

Espanjakin valloitettiin:

http://www.tendencias21.net/Aprovechar-el-viento-solar-para-ir-y-venir-de-Marte-en-viaje-tripulado_a40315.html

Espanjassa sähköpurje tunnetaan parhaiten lyhenteellä "E-vela".

.. ja Espanja valloitti Marsin, sekä "vauhdikkain kuvitus" palkinnon: http://www.abc.es/ciencia/20150429/abci-viajes-lowcost-marte-201504281648.html

INNOVaticias
http://www.innovaticias.com/innovacion/30692/disenan-vela-electrica-viento-solar-permitiria-vuelos-tripulados-marte

Heinäkuun alussa heräsi NCYT:
http://noticiasdelaciencia.com/not/14934/metodo-exotico-de-vela-solar-para-dar-apoyo-logistico-a-viajes-tripulados-a-marte/

ja Inovacao Tecnologica:
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=vela-solar-viabilizar-viagens-ida-volta-marte&id=010130150702


Myös Intia innostui:
The Indian Express
http://indianexpress.com/article/world/two-way-human-trip-to-mars-possible-with-electric-solar-sail/

The New Indian Express
http://www.newindianexpress.com/world/Two-way-Human-Trip-to-Mars-Possible-with-Electric-Solar-Sail/2015/04/28/article2787483.ece

The Hindu BusinessLine
http://www.thehindubusinessline.com/news/science/twoway-manned-trip-to-mars-possible-with-electric-solar-sail/article7150370.ece

The Hindu
http://www.thehindu.com/sci-tech/science/twoway-manned-trips-to-mars-possible-with-electric-solar-sail/article7150409.ece

Zee News
http://zeenews.india.com/news/space/two-way-human-trip-to-mars-possible-with-electric-solar-sail_1586494.html

Daily India Mail on kuvittanut hieman virheellisellä purjeella
http://dailyindiamail.com/?p=38378

Wordlypost
http://www.wordlypost.in/electric-solar-sail-makestwo-way-human-trip-to-mars-possible/

Deccan Chronicle
http://www.deccanchronicle.com/150428/technology-science-and-trends/article/two-way-human-trip-mars-possible-electric-solar-sail

Mitäköhän tässä sanotaan?

http://www.telangana7am.com/top-stories/post/electric-solar-wind-sail

Venäjä liittyi joukkoon:
Megavselena
http://megavselena.com/elektrichesko-platno-shte-prokarva-pytya-kym-mars/

Nyt sähköpurjeesta voi lukea myös afrikaansiksi:
http://maroelamedia.co.za/blog/tegnologie/ruimte/video-seilskepe-kan-reise-na-mars-vergemaklik/

Medialento on huomattu myös Acta Astronauticassa.
"Compared to all articles in Acta Astronautica [this paper ranks] 12th".

Marsmatkailu ja sähköpurjehtiminen selkeästi kiinnostavat kansainväliselläkin kentällä!

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: