Sähköpurje-efektin mittaukset NASA MSFC:ssä alkavat

NASA Marshall Space Flight Center on nyt rakentanut plasmakammiokoejärjestelyt valmiiksi, tavoitteena mitata sähköpurje-efekti plasmakammiossa. Asiasta kertoo tarkemmin NASA:n lehdistötiedote. Kammiossa virtaava plasma vastaa tiheydeltään ja nopeudeltaan suunnilleen matalaa Maan kiertorataa (low Earth orbit, LEO), ei aurinkotuulta, koska aurinkotuulen simulointiin Maan päällä tarvittaisiin satojen metrien kokoinen kammio.

NASA MSFC:n sähköpurjetestissä käytettävä plasmakammio avattuna.

Työ on osa NIAC:n (NASA Innovative and Advanced Concepts) rahoittamaa hanketta jonka ensimmäinen vaihe päättyi viime vuonna ja nyt ollaan kakkosvaiheessa jonka tärkeän osan muodostaa plasmakammiokoe.

NASA MSFC:n Bruce Wiegmann, alabamalainen sähköpurjemies, pitelee HERTS2-projektin lankoja käsissään.

Sähköpurjekolumni 38

Sähköpurjekolumni 23.3.2016

Aalto-1 odottaa laukaisua, eikä siitä tällä kertaa sen enempää. Hyötykuormamme luovutettiin pääsiäisenä 2015 eli se on odottanut laukaisemista noin vuoden.  ESTCube-1 ja Aalto-1 ovat olleet esillä sähköpurjekolumnissa monesti, viimeksi numerossa 2/2015.

Kirjoitan tällä kertaa vähän yleisemmästä aiheesta eli cubesat-ohjelman aikaansaamisesta. Cubesatin ajatuksena on olla halpa, helppo ja nopea tapa päästä avaruuteen. Yksikin cubesat on hyvä juttu, mutta vasta jatkuvasti pyörivä cubesat-ohjelma alkaa tuottaa sellaisia hyötyjä joiden takia formaatti luotiin. Näitä hyötyjä ovat uusien teknisten ratkaisujen nopea testaaminen, järkevä riskitaso, uusien avaruusinsinöörisukupolvien kouluttaminen ja tuoreen tekniikan saaminen taivaalle operatiiviseen käyttöön.

Cubesat-hankkeet kuitenkin luisuvat helposti takaisin vanhaan tekemisen malliin, jossa satelliittia tehdään monta vuotta, se on melko monimutkainen ja jossa "epäonnistua ei saa koska tämä maksaa niin paljon" (muistan kuulleeni tämän lauseen jossain Aalto-satelliitin palaverissa vuosia sitten). Avaruustekniikan yksi peruslaki on kuitenkin että jos epäonnistuminen ei ole vaihtoehto, onnistuminen voi tulla hyvin kalliiksi.

Mitä tiheämmin ohjelmassa laukaistaan, sitä pienempi peikko yksittäinen epäonnistuminen on ja sitä enemmän riskejä voidaan ottaa, sitä nopeammin satelliitti voidaan rakentaa ja sitä halvemmaksi hanke tulee. Jos sykli on nopea, taivaalle saadaan tuoretta eli tehokasta tekniikkaa ja satelliitin tulos saadaan nopeasti käyttöön. Jos on kyse opiskelijasatelliitista, opiskelijatiimiä ei tarvitse vaihtaa kesken hankkeen, jolloin opiskelijoiden motivaatio on korkea koska he pääsevät operoimaan itse rakentamaansa laitetta avaruudessa. Sitäpaitsi rakentaja on maailman paras asiantuntija omansa laitteensa operoinnissa.

Jotta cubesat-ohjelma syntyisi, sellaisesta pitää tehdä päätös. Pitää päättää suuntaviivat: kuinka usein ja minkä kokoisia satelliittia laukaistaan ja/tai laukaisuihin käytettävä vuosibudjetti, joka on voimassa toistaiseksi. Jos laukaisubudjetti on pieni, satelliitteja kannattaa pienentää mieluummin kuin tinkiä laukaisutiheydestä. Jos rahaa on vielä vähemmän, pienennetään satellitteja lisää. Alarajaa ei ole: maailmalla puhutaan CD-levyn kokoisista taskusatelliiteista ja 5 cm kuutioista joita mahtuu normaalin 1-U cubesatin tilavuuteen 8 kappaletta.

Cubesatteja ovat jo laukoneet monet maat ja yliopistot, ja Suomi on tässä asiassa enemmänkin viimeisten kuin ensimmäisten joukossa. Hyvin toimivia nopean syklin cubesat-ohjelmia on maailmassa kuitenkin edelleen melko harvassa, joten niiden saralla eturintamassa on vielä tilaa.

Jos cubesat-laukaisujen ostamiseen käytettäisiin yksi prosentti Suomen vuotuisesta ESA-jäsenmaksusta eli 200,000 euroa, sillä saisi aikaan jo jotain järkevää. Rahasta ei tämä asia oikeasti ole kiinni, mutta virallinen päätös on tarpeen jatkuvuuden takia.

Sähköpurjekolumni 37

Sähköpurjekolumni 27.1.2016

Lyhyen tähtäimen aurinkotuulisäätä ennustetaan Auringon ja Maan välistä Lagrangen L1-pistettä kiertävillä luotaimilla. Alukset mittaavat aurinkotuulen plasmatiheyttä, nopeutta ja magneettikenttää 1.5 miljoonaa kilometriä ylävirtaan Maasta, mikä aurinkotuulen nopeudesta riippuen vastaa 0.5-1 tunnin viivettä. Tämä on hyödyllistä, mutta ennakointiaika saisi olla vähän pitempi.  Sähköpurjetta käyttämällä luotain voisi hieman vastustaa työntövoimallaan Auringon painovoimaa ja sijaita lähempänä Aurinkoa, jolloin ennakointiaika voisi pidentyä enimmillään kaksinkertaiseksi. Aurinkotuulen plasmatiheys selviää mittaamalla jännitteellisen sähköpurjeliean keräämä sähkövirta, aurinkotuulen nopeus voidaan laskea aluksen kiihtyvyysanturin mittaamasta sähköpurjeen työntövoimasta, ja aurinkotuulen magneettikenttä voidaan mitata puomin päässä olevalla pienellä magnetometrillä. Kaikki tämä mahtuu periaatteessa 3-U -cubesattiin. Radioyhteyden kommunikaatioetäisyys on pitkä, mutta koska alus pysyy koko ajan Aurinkoon ja Maahan nähden jokseenkin samassa asennossa, kommunikaatio voitaneen hoitaa litteillä satelliitin takapintaan kiinnitetyillä patch-antenneilla. Yhdellä sähköpurjeliealla varustettu muutaman kilon painoinen cubesat pystyisi siis ennustamaan aurinkotuulta kaksi kertaa pitemmälle tulevaisuuteen kuin olemassaolevat menetelmät, jotka lisäksi ovat kertaluokkaa kalliimpia.

Jos halutaan ennustaa aurinkotuulta vuorokausien päähän tai jos halutaan ennustaa mitä tahansa Auringon röntgen-, UV- ja energeettisten hiukkasten emissioita, pitää mitata itse Aurinkoa ja pyrkiä ennustamaan sen purkauksia. Tässä on monia haasteita, joista yksi on että koska Auringon pyörähdysaika on vajaa kuukausi, meiltä piilossa Auringon takana saattaa olla kehittymässä uutta toimintaa. Tähän tarvittaisiin periaatteessa joukko Aurinkoa kiertäviä luotaimia. Vähän halvempi vaihtoehto on panna luotain Auringon ja Maan Lagrangen L5-pisteeseen, joka muodostaa Auringon ja Maan kanssa tasasivuisen kolmion. Luotain näkee silloin Auringon 60 astetta eri kulmasta kuin Maa ja havaitsee Auringon takaa esiin vyöryvät seudut yli 4 vuorokautta aiemmin kuin Maa.  L5-piste on vakaa, joten luotaimen pitäminen siellä ei vaadi työntövoimaa. Luotain voitaisiin viedä paikalleen perinteisellä menetelmällä tai sähköpurjeella.

Revontulet, indusoituvan sähkökentän aiheuttamat uhat maanpäälliselle sähköverkolle ja säteilyriskit satelliiteille riippuvat enimmäkseen aurinkotuulesta, jota siis voidaan tällä hetkellä ennustaa tarkasti 0.5-1 tunnin päähän (riippuen aurinkotuulen nopeudesta) ja sähköpurjeella 1-2 tunnin päähän. Häiriöt radioliikenteessä puolestaan johtuvat ionosfäärin plasmatiheyden kasvusta, joka riippuu revontulista ja Auringon suorasta UV-säteilystä.  Säteilyriskit Kuuhun tai Marsiin matkaaville astronauteille ja korkealla lentäville lentokoneille tulevat pääosin Auringon hiukkaspurkauksista, jotka samoin kuin UV-säteily ovat äkillisiä, suoraan Auringon pinnan toiminnasta johtuvia ilmiöitä.

Avaruussään ennustaminen nojaa siis yhtäältä Maan ylävirran aurinkotuulen mittaamiseen ja toisaalta Auringon pintatoiminnan seuraamiseen eri havaintosuunnista. Sähköpurjeella olisi paljon annettavaa ensimmäiseen ja merkittävästi myös jälkimmäiseen.

Aurinkopurjeella voi matkustaa myös kohti Aurinkoa

Usein kuulee kysyttävän, voiko aurinkotuulen avulla matkustaa tuulta vastaan, kohti Aurinkoa? Ensimmäisenä ajatuksena helposti on, ettei se ole mahdollista, mutta Sini kävi YLE:n "Luulot pois" sarjassa kertomassa asian todellisen laidan:

http://areena.yle.fi/1-3170377

Sähköpurjekolumni 36

Onko nimi enne: Phobos

Sähköpurjekolumni 24.11.2015

Phobos-kuu

(Kyseisen Avaruusluotaimen numeron teemana oli Marsin valloituksen historia.)

Hiljattain ilmestyi tutkimus jossa todettiin että Marsin matalalla kiertävässä 20-kilometrisessä Phobos-kuussa näkyy vuorovesivoiman aiheuttamia halkeamia.  Tutkimuksessa ennustettiin että koska kuun rata alenee 2 cm vuodessa, vuorovesivoima kasvaa ja kuu hajoaa todennäköisesti 30-50 miljoonassa vuodessa.

Phobosta hajottamaan pyrkivät vuorovesivoimat ovat heikkoja, mutta toisaalta kappalekin on hauras.  Arvelisin että kuun hajoaminen on vähän kuin maanjäristys: tiedetään että tapahtuma tulee joskus, mutta täsmällistä aikataulua ja seurauksia on vaikea ennustaa. Jos hajoamisessa vapautuu kiviä, soraa ja pölyä, ne jäävät kiertämään planeettaa, jolloin ne saattaisivat uhata avaruustoimintaa Marsissa. Riski sille että kappaleita putoaisi suoraan Marsin pinnalle lienee pieni, koska siihen tarvittaisiin 500 m/s nopeuden muutos. Nykyisellä radan alenemisvauhdilla 2 cm vuodessa Phoboksen materia putoaa planeetan pinnalle parinsadan miljoonan vuoden kuluttua.

Onko Phoboksen mahdollinen hajoaminen asia joka pitäisi ottaa huomioon miehitetyn Mars-toiminnan suunnittelussa?  Todennäköisyys hajoamiselle lähivuosisatoina on pieni, ja vaikka se tapahtuisikin, siitä voitaisiin hyvinkin selvitä säikähdyksellä. Pinnalle ei varmaankaan suoraan tipahtaisi mitään, ja vaikka kiertoradalle pahimmassa tapauksessa syntyisikin jonkinlainen sorarengas, sen ja planeetan väliin jäisi tilaa niin että avaruusliikenne Marsiin olisi edelleen mahdollista. Rengas olisi kuitenkin pitkäaikainen harmi, joten saatettaisiin jossitella miksei hajoamista estetty esimerkiksi Phoboksen ympärille asennetulla teräsverkolla silloin kun kappale oli vielä ehjä.

Jos Phoboksella tai Deimoksella sattuisi olemaan kaivettavissa olevaa vettä (jäätä, kidevettä tai kemiallisesti sitoutunutta vetyä) riittävän lähellä pintaa, niitä voisi käyttää miehitetyn Mars-liikenteen tarvitseman kryogeenisen rakettipolttoaineen valmistukseen ilman että vettä tarvitsee kaivaa ja tuoda kauempaa asteroidivyöhykkeeltä. Oli Marsin kuilla vettä tai ei, kaivostoimintamielessä ne ovat joka tapauksessa merkittäviä potentiaalisia raaka-ainelähteitä. Niiden aurinkokunnan pienkappaleiden joukossa joiden keskietäisyys auringosta on enintään 1.9 au on nimittäin vain yksi Phoboksen ja Deimoksen kokoinen kappale, eli kiviasteroidi Eros. Pienkappaleilta voidaan nostaa ainetta lähes ilmaiseksi verrattuna Kuuhun ja Marsiin, Maasta ja Venuksesta puhumattakaan. Phobos, Deimos ja Eros ovat siis sisäaurinkokunnan suurimmat helposti hyödynnettävät kivisen raaka-aineen esiintymät. Pinnalta nostamisen jälkeen tapahtuva kuorman kuljettaminen esimerkiksi ulos Marsin kiertoradalta on pienempi ongelma, koska se voidaan tehdä ajoaineettomasti sähköpurjeella.

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.