Les Johnsonin sähköpurje-esitelmä NASA NIAC 2015 -symposiumissa

NASA Marshall Space Flight Centerin Advanced Concepts Teamin johtaja Les Johnson piti esitelmän (kelaa videota jonka ensimmäinen esiintyjä on Ben Yoo ensin kohtaan 1:15) NIAC:n rahoittamasta sähköpurjetutkimuksesta MSFC:ssä 28.10.2015. Esitelmässä kerrotaan mm. sähköpurjeen perusteista ja historiasta, sähköpurjeen eduista suhteessa fotonipurjeeseen sekä MSFC:n suunnittelemasta sähköpurje-efektin mittauksesta plasmakammiossa.

01:22:28, "...I'm a solar sailor, I have a sail flying in a couple of years, and it pains me to say that in theory it looks like this works better than the solar sail..."

Tapaus KIC 8462852

Onko tapauksessa KIC 8462852 kyse siitä että näkölinjalla on toinen aurinkokunta?

Uutisissa on viime aikoina esiintynyt tähti KIC 8462852, joka on yksi Kepler-avaruussteleskoopin neljän vuoden ajan seuraamasta noin 150000 tähdestä. Tämä tähti on noin 1400 valovuoden päässä ja se on spektrin perusteella tavallinen, jonkin verran Aurinkoa isompi ja kuumempi pääsarjan tähti.

Tähden KIC 8462852 valokäyrä on erikoinen, koska siinä näkyy epäsäännöllisin välein oudon muotoisia himmentymisiä. Normaalisti tähtien himmentymiset johtuvat tähdenpilkuista tai tähteä kiertävistä planeetoista, ja Keplerin päätehtävä onkin juuri eksoplaneettojen etsintä. Tähden KIC 8462852 himmentymiset ovat kuitenkin erilaisia kuin planeettojen aiheuttamat, koska niissä on terävä minimi, jota ympäröi hitaampi himmentyminen. Lisäksi eventit ovat usein ajallisesti epäsymmetrisiä ja toistuvat epäsäännöllisin välein. Aiheesta julkaistiin hiljattain tutkimus.

Tässä kuvassa näkyy KIC-tähden valokäyrä ja sen himmentymät. Ylinnä neljä vuotta Keplerin mittausdataa. Alarivillä on iimeisin, keltaisella korostettu, aikajakso (helmikuulta huhtikuulle 2013) kolmella eri skaalalla.  Kuvasta nähdään himmentymien epäsymmetrinen muoto.
Tämän on tutkimuksen kuvasta tuunannut Sky & Telescope

Himmenemiset tai ainakin jotkin niistä ovat niin nopeita että pimennyksen aiheuttavan kohteen pitäisi liikkua noin 50 km/s sivusuunnassa ja olla itse tähteä laajempi. Näin nopea liike ei voi olla planeetan rataliikettä, paitsi jos rata on noin 0.5 au:n päässä tähdestä. Mutta siinä tapauksessa tapahtumien pitäisi toistua säännölisesti useita kertoja vuodessa, mitä ei havaita.

On kuitenkin olemassa sellainen mahdollisuus että pimennyksiä aiheuttavat kohteet ovat pölyrenkaita jotka kuuluvat johonkin toiseen aurinkokuntaan, joka sattuu kulkemaan näkölinjan poikki noin 50 km/s poikittaisella nopeudella, mikä on yleinen interstellaarinen nopeus. Jos tuon toisen aurinkokunnan tähti on punainen tai ruskea kääpiö, se voi olla liian himmeä jotta sitä voisi havaita maksimissaan 1400 valovuoden etäisyydeltä. Jos toisen aurinkokunnan ulko-osien "Kuiperin vyöhykkeessä" on pölyrenkaita, ne voisivat selittää himmenemiset.

Tämä malli ennustaa että tulevina vuosina pitäisi näkyä uusia pimennyksiä jotka ovat likimain symmetrisiä jo nähtyjen kanssa. Uudet himmentymiset tapahtuisivat kun KIC 8462852 liikkuu meistä katsoen ulos niistä pölyrenkaista joiden sisään näimme sen aiemmin uivan.

Onko tämä skenaario tilastollisesti todennäköinen? Lasketaan sellaisen sylinterin tilavuus jonka pituus on tähden etäisyys 1400 valovuotta ja säde tyypillinen Kuiperin vyöhykkeen etäisyys 40 au:ta. Tulos on 0.0017 kuutiovalovuotta. Tämä on se tilavuus johon pölyrenkaallisen vieraan aurinkokunnan pitää osua jotta se aiheuttaisi pimennykset. Tähtitiheys lähiympäristössämme on noin 0.004 tähteä kuutiovalovuodessa, ja suurin osa tähdistä on juuri tarkoitukseemme sopivia kääpiötähtiä jotka eivät näy kauas. Kun luvut kertoo keskenään, saa tuloksen jonka mukaan pimennyksen todennäköisyys on noin seitsemän miljoonasosaa. Toisaalta Kepler-teleskooppi seurasi jatkuvasti noin 150000 tähteä. Kertomalla luvut saa niiden tähtien lukumäärän odotusarvon Keplerin aineistossa, joissa pitäisi näkyä toisen aurinkokunnan aiheuttama pimentyminen. Tämä luku on noin yksi, mikä kuulostaa lupaavalta. Lasku pätee sillä oletuksella että pölyrenkaat ovat yleisiä aurinkokuntien Kuiperin vyöhykkeillä.

Onkohan tässä selitys oudoille pimentymisille?

Englanninkielinen versio tästä on julkaistu Cosmology.com-sivustolla.

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.