Sähköpurjekolumni 44

Sähköpurjekolumni 30.10.2017

Pari kolumnia sitten kerroin että ESA:n tiedeohjelma valitsi helmikuussa 2017 sähköpurjeeseen perustuvan Multi asteroid touring -ehdotuksemme jatkokehitykseen "Call for new ideas" -kutsusta. Ehdotuksessamme 50 piensatelliitin parvi lennätetään yksiliekaisilla sähköpurjeilla tekemään asteroidien ohilentoja niin että saadaan lähikuvia 300 asteroidista. Nyt kuitenkin ESA sotkeutui pasmoissaan ja selvittääkin jotakin aivan muuta, eli yhden asteroidin tutkimista tutkalla. Sellaisellekin toki löytyy tiedeyhteisöstä tukea, kun kysytään sopivilta henkilöiltä. Mutta on outoa että ensin kootaan 27-jäseninen professoriraati iteroimaan ja valitsemaan 26 saapuneesta ehdotuksesta kolme parasta, sitten yhden niistä eli sen ainoan aurinkokuntaehdotuksen kohdalla aihe korvataankin yllättäen mustalla hevosella, joka ei sitäpaitsi ole mikään uusi idea koska lensi jo Rosettassa.

ESA:han toisaalta rahoittaa sähköpurjeen avulla tehtävän asteroidimission tutkimustamme jo 2016 alusta alkaen. Nyt oli kyse siitä että ESA:n Concurrent Design Facility -tiimi olisi myös osaltaan katsonut teknistä toteutettavuutta noin neljän viikon ajan.

Löytyisiköhän järkevyyttä muualta maailmankaikkeudesta? SETI-hankkeet ovat etsineet radioviestejä, mutta mitään ei ole toistaiseksi löytynyt. Samaan aikaan oma radiovuotomme on pienentynyt, kun yleisradiotyyppiset voimakkaat lähettimet vähenevät ja heikkotehoiset kännykät ja WLAN-verkot yleistyvät. Jos muukalaiset tekevät samoin, niiltä ei vuoda radiosignaaleita.

On teoriassa mahdollista että muukalaiset suuntaisivat radioviestin tarkoituksella meille. En pidä sitä kuitenkaan todennäköisenä, koska samalla he tulisivat paljastaneeksi meille oman olinpaikkansa, eikä myöskään todennäköisyys että vastaisimme jotain ymmärrettävää olisi kovin korkea.  Nimittäin ehkä emme huomanneet viestiä tai olimme varovaisia ja päätimme olla vaiti. Parhaassakin tapauksessa pitkä kommunikaatioviive tekisi dialogista hitaan.

Jos on mahdollista tehdä tähtienvälisiä luotaimia, niiden käyttäminen tuntuu radiota houkuttelevammalta vaihtoehdolta. Näin pohti kaukonäköinen herra Bracewell vuonna 1960. Luotain ei paljasta lähettäjänsä olinpaikkaa ja se voi vuorovaikuttaa löytämiensä älykkäiden olentojen kanssa lähietäisyydeltä käyttäen tekoälyään. Toisin kuin radioviestissä, vuorovaikutus voi olla hienotunteisempaa: lähettäjä voi säätää vaikuttaako operaatio kohdelajin maailmankuvaan vähän, paljon tai ei ollenkaan.

Entä motivaatio? Muukalaiset halunnevat olla selvillä galaksin muista teknisistä lajeista - kenties uteliaisuuttaan, ja koska varuillaanolo on järkevää. Vapaatahtoisten lajien käytöksen ennustaminen on vaikeampaa kuin luonnonilmiöiden, joten ne voivat olla uhka, toisaalta ehkä myös mahdollisuus.

Suuri matkanopeus ei ole välttämätön, mutta tähtienvälisen älyluotaimen on oltava pitkäikäinen ja itseään korjaava, jotta se selviytyy matkasta ja jaksaa valvoa kohteensa kehitystä kauan. Mikään luonnonlaki ei kai varsinaisesti estä sellaisen rakentamista.  Jos vanhat sivilisaatiot osaavat kaiken mahdollisen, niin ehkä silloin myös tuon. Vanha sivilisaatio on toisaalta se minkä todennäköisimmin tapaamme. Olisihan nimittäin harvinainen sattuma, jos joku naapuri olisi teknistynyt juuri samalla vuosituhannella kuin me.

Voi olla jopa todennäköistä että jos galaksissa on yksikin pitkäikäinen tekninen laji, se on ulottanut havaintoverkkonsa meidänkin aurinkokuntaamme jo miljoonia tai miljardeja vuosia sitten. Siinä tapauksessa paikallinen päivystävä älyluotain lienee jo noteerannut ihmislajin teknistymisen, ja tieto siitä leviää nyt valon nopeudella pitkin galaksin kattavaa linkkiasemaverkkoa.

Entä Fermin paradoksi: jos yksikin vanha sivilisaatio on olemassa, miksei se olisi lisääntynyt ja täyttänyt galaksia? Mikseivät ne asuta myös Maata ja miksei Dysonin palloja näy? No, Maata ne eivät asuta varmaankaan siksi että tekninen laji ei viihdy luonnonkatastrofien ja sään pieksemillä planeetoilla, vaan keinotekoisilla avaruusasemilla joita voi rakentaa mihin tahansa missä on pienkappaleita raaka-aineeksi. Avaruusasemat eivät myöskään tarvitse tähteä, vaan ainoastaan vetyä tai muuta ydinpolttoainetta jota voi kuluttaa omaan tahtiin. Kiinnostavia paikkoja muukalaisille saattavat olla esimerkiksi epäonnistuneita tähtiä ympäröivät aurinkokunnat. Pimeän epäonnistuneen tähden yläilmakehästä voi napata vetyä ellipsiradalla olevalla aluksella. Kun galaksin viimeinen punainen kääpiötähti on sammunut joskus kymmenien tuhansien miljardien vuosien kuluttua, epäonnistuneita tähtiä hyödyntävä sivilisaatio on vasta elinkaarensa alkumetreillä.

NASA:n PSOJ318.5-22 juliste "Where the nightlife never ends"

Sähköpurjekolumni 43

Sähköpurjekolumni 31.8.2017

Sähköpurjeella Kuuhun meneminen on vähän kuin menisi lentäen Malmilta Helsinki-Vantaalle. Mutta yksi haaste kuututkimuksessa on että Kuuta kiertävät radat tuppaavat olemaan epästabiileja koska Kuun painovoimakenttä on niin kuoppainen. Kuuta kiertävät alukset tarvitsevat jatkuvaa propulsiota radan ylläpitoon, ja sähköpurje voisi soveltua siihen. Kuun lähellä painovoimagradientti voi tosin häiritä pyörivää moniliekaista sähköpurjetakilaa, mutta jos alus on pienehkö, voidaan käyttää yksiliekaista laitetta jossa lieka roikkuu pystysuorassa painovoimagradientin avulla. Eli samanlainen järjestely kuin perusplasmajarrussa.

Magneettikenttää Kuulla ei juuri ole, joten sähköpurjeen tarvitsema aurinkotuuli pääsee Kuun pintaan asti. Yöpuoli on tosin aurinkotuulen katveessa, mutta ratakorjauksiin riittää päiväpuolenkin propulsio. Ratakierroksellaan Kuu viettää 2/3 ajasta aurinkotuulessa ja loput Maan magnetosfäärin sisällä, jossa plasmavirtaus on erilaista. Tuo reilun viikon mittainen magnetosfäärikatve ei ole radan ylläpidon kannalta vielä ongelma.

ESA pyysi viime vuonna ehdotuksia Kuuta kiertäviksi cubesateiksi, ja laadimme suunnitelman jossa 3-U cubesat kuvaa Kuun pimeän puolen mikrometeorivälähdyksiä ja ylläpitää matalaa kiertorataansa yksiliekaisen sähköpurjeen avulla. Ehdotustamme ei valittu, mutta sen sijaan he valitsivat toisen jossa oli sama tiedepäämäärä, eli Kuun pinnan käyttäminen mikrometeoroididetektorina. Siinä rata oli korkeampi koska sähköpurjetta ei ollut käytössä ja kamera ja alus vastaavasti paljon painavampia kuin meillä.

Kuu on toisaalta houkutteleva ja toisaalta vaikea paikka toimia. Kuu on ainoa taivaankappale joka on niin lähellä että Maasta käsin voidaan teleoperoida robottia siedettävällä kahden sekunnin viiveellä. Siinä mielessä se olisi hyvä paikka harjoitella esimerkiksi asteroidien kaivostoimintaa. Mutta suuri lämpötilaero päivän ja yön välillä sekä yön pitkä kesto ovat haasteita varsinkin pienille laskeutujille. Myös liikennöinti Kuuhun on kallista, koska laskeutuminen ja nousu vaativat kemiallisen raketin ja Kuusta on vaikea löytää polttoainetta tankattavaksi. Napojen huippukylmissä auringottomissa kraattereissa vesijäätä tosin ilmeisesti on. Uusille keksinnöille olisi tilausta kuuasioissa.

Akatemian huippuyksikkö

Sähköpurje ja plasmajarru ovat osa tulevaa Suomen Akatemian huippuyksikköä, joka tutkii kestävää avaruustoimintaa. Tämä tarkoittaa että sähköpurjeen perusrahoitus on turvattu vuosiksi eteenpäin ja voimme suunnitella toimintaa entistä vapaammin ja pitkäjänteisemmin. Huippuyksikkörahoitukseen kuuluu myös cubesattien laukaisuja.

Sähköpurjekolumni 42

Sähköpurjekolumni 27.3.2017

ESA:n tiedeohjelma valitsi sähköpurjeeseen perustuvan asteroidimissioideamme jatkokehitykseen. ESA pyysi 2016 ehdotuksia uusiksi tiedeohjelman missioideoiksi (Call for new ideas). Ehdotuksia saapui Euroopasta 26 kappaletta ja ESA valitsi jatkoon kolme: yhden kvanttifysiikan peruslakeja tutkivan hankkeen, yhden tähtien tarkkoja paikkoja mittaavan ehdotuksen, sekä meidät.

Ehdotuksemme on lähettää parvi 4-5 kg painoisia yksiliekaisia aluksia tekemään asteroidien ohilentoja. Kukin alus koukkaa sähköpurjettaan käyttäen asteroidivyöhykkeen kautta ja tekee matkallaan 6-7 asteroidin ohilentoa. Missio kestää vähän yli kolme vuotta, ja lopuksi alukset lentävät Maan läheltä jotta flash-muistiin talletettu data saadaan siirrettyä maahan. Jos aluksia on esimerkiksi 50, niiden laukaisemiseen sopii PSLV-raketti ja saadaan tutkittua yli 300 asteroidia. Ohilentoetäisyys on noin 1000 km. Aluksissa on pieni 4 cm halkaisijainen teleskooppi ja spektrometri joilla asteroidien pinnanmuodot kuvataan ja niiden mineraalikoostumus mitataan. Samaa teleskooppia käytetään myös autonomiseen navigointiin käyttäen apuna tunnettuja asteroideja. Teleskoopin suuntaaminen kohti asteroideja onnistuu, koska lieka on kiinnitetty aluksen massakeskipisteeseen. Aluksen ja sen toisessa päässä olevan kiinteän teleskoopin voi siis suunnata kohteeseen reaktiopyöriä käyttämällä ilman että lieka sitä suuremmin häiritsee.

Ehdotuksemme on kustannustehokas tapa hankkia dataa asteroideista tieteen, vaarallisten asteroidien torjunnan ja asteroidien kaivostoiminnan tarpeisiin. PSLV-laukaisu maksaa 20 miljoonaa ja koko missio 50-150 miljoonaa riippuen kuka sen toteuttaa. Yhden asteroidin lähikuvat maksavat siis vain muutaman sata tuhatta euroa ja ne saa kolmen vuoden päästä laukaisusta. Missioarkkitehtuuri on myös hyvin skaalautuva, koska alusten lukumäärä voi olla periaatteessa mikä tahansa. Laukaiseminen on joustavaa ja onnistuu myös pienemmissä paloissa oheishyötykuormina, jos niin halutaan.  Sähköpurjelieka on uutta tekniikkaa jonka luotettavuudesta ei ole vielä käytännön kokemusta, mutta koska aluksia on paljon, missio onnistuu vaikka osa aluksista pettäisi.  Lisäksi koska yhdessä aluksessa on vain yksi lieka, luotettavuus per alus on periaatteessa korkeampi kuin moniliekaisessa purjeessa.

ESA järjestää ehdotuksemme ympärille kesällä kutsukokouksen, johon saapuu eurooppalaisia asteroiditutkijoita ja muita asiantuntijoita. ESA aikoo tiedottaa asiasta julkisesti kokouksen jälkeen.

Ehdotuksemme nimi oli vähän arkipäiväisesti Multi-asteroid touring. Nasevampi nimi on mietinnässä.  Yksi ehdotus on TOURIST. Avaruusturismia tämäkin!

Sähköpurjekolumni 41

Lennokkikerholla aurinkokuntaan?

Sähköpurjekolumni 24.1.2017

Avaruustoiminta on kallista koska propulsio maksaa.  Esimerkiksi hydratsiinin käsittelyn vaatiman infrastruktuurin ylläpito maksaa organisaatiolle noin 2 miljoonaa vuodessa. Kiinteä moottori on yksinkertainen, mutta ennen pääsyä kantoraketin kyytiin se on todistettava turvalliseksi monin kokein ja analyysein. Sähkörakettimoottorissa puolestaan hintaa nostavat kehitystyössä tarvitut pitkät kokeet isoissa tyhjiökammioissa sekä ajoaine ksenonin korkea hinta. Lisäksi jos sähköraketilla noustaan LEO:ta korkeammalle radalle, hyötykuorma joutuu viettämään pitkähkön ajan säteilyvyöhykkeissä, mikä lisää elektroniikan kustannuksia tai säteilysuojamassaa.

Sähköpurje voi ratkaista propulsiokysymykset aurinkokuntalennoissa, mutta ensin aluksen on päästävä magnetosfäärin ulkopuolelle aurinkotuuleen.

Tietenkin avaruustoiminta halpenee myös jos kantorakettipropulsio halpenee. Pienten alusten pulmana on kuitenkin myös pienten kantorakettien puuttuminen markkinoilta. Pieniä aluksia tarvitaan jotta uudet pienet toimijat pääsevät markkinoille uusilla teknologioillaan.

Hybridiraketti on yksi tapa ratkaista näitä ongelmia. Hybridimoottorin polttoaine on vaaratonta, esimerkiksi muovia tai parafiinivahaa. Hapettimena voi olla esimerkiksi nestehappi tai typpitetroksidi. Typpitetroksidi on myrkyllistä mutta ei kuitenkaan karsinogeenistä, ja typpitetroksiditankki ei voi räjähtää itsestään koska aine ei sisällä kemiallista energiaa. Puhdas typpitetroksidi voi säilyä tankissa huoneenlämpötilassa pitkän ajan ja sitä käytetään perinteisessä tekniikassa hydratsiinin hapettimena. Uudempi hybridirakettien ehdotettu polttoainesekoitus "Nytrox" on nestehapen ja nestemäisen ilokaasun seos. Sen suorituskyky on jonkin verran nestehappea huonompi, mutta säilytyslämpötila -40..-60 C on helpompi kuin nestehapella. Nytroxin pitäisi myös olla puhdasta ilokaasua turvallisempaa, koska tankkiin muodostuva höyry ei ole ilokaasua vaan happea.

Hyvin pientä hybridirakettia voisi käyttää ratamuutokseen esimerkiksi seuraavasti. GTO-radalle laukaistaan jonkin ison kantoraketin oheishyötykuormana cubesat.  Alus tuottaa hybridimoottorillaan 500 m/s nopeusmuutoksen, mikä nostaa radan ylimmän pisteen aurinkotuuleen. Siellä alus avaa yksiliekaisen sähköpurjeen ja purjehtii ottamaan lähikuvia asteroideista esimerkiksi asteroidien kaivosfirman tarpeisiin. Data siirretään maahan suorittamalla lopuksi Maan ohilento. Alus olisi mahdollista rakentaa lähes harrastelijavoimin. Jos lisätään aurinkopaneelien pinta-alaa ja pidennetään mission kesto kahdeksaan vuoteen, alus voisi käydä jopa ottamassa kuvia jostain troijalaisasteroidista ja tehdä tiedehistoriaa. Troijalaisten koostumus kertoo nimittäin aurinkokunnan historiasta eli siitä miten planeetat päätyivät nykyisille radoilleen.

Toinen moderni vaihtoehto on monopropellanttimoottori, jossa perinteinen hydratsiini on korvattu jollain turvallisemmalla kemikaalilla. Kaikki monopropellantit ovat kuitenkin määritelmän mukaan energeettisiä yhdisteitä jotka voivat ainakin teoriassa räjähtää myös itsestään. DARPA lopettikin vuonna 2015 turvallisuussyistä ALASA-ohjelmansa, jonka tavoitteena oli käyttää erästä uutta monopropellanttia kantoraketissa. Ruotsalainen ECAPS-firma sen sijaan jatkaa oman monopropellanttinsa kaupallistamista ja on jo testannut sitä onnistuneesti kiertoradalla.

Olisiko tuon pienen sähköpurjeluotaimen laukaiseminen mahdollista pienellä hybridikantoraketilla, esimerkiksi sillä North Starilla jota norjalaiset kehittävät?  Periaatteessa kyllä. Esimerkiksi kiinteää rakettia käyttävän lentokoneesta laukaistavan Pegasus-raketin hyötykuormasuhde LEO:lle on noin kaksi prosenttia (hyötykuorma on 443 kg ja lähtömassa 23 tonnia). Suunnilleen sama massasuhde pätee pienelle hybridiraketillekin: hybridin ominaisimpulssi on hieman kiinteää korkeampi, mutta toisaalta pieni koko alentaa ominaisimpulssia hieman. Esimerkiksi jos kantoraketin lähtöpaino olisi yksi tonni, LEO:lle päätyisi 20 kg kuorma ja pakoradalle noin 5 kg paketti, mikä riittäisi pienen aurinkokuntaluotaimen massaksi. Tonnin painoinen kantoraketti voitaisiin laukaista esimerkiksi Hornet-hävittäjän ripustimesta.  Innostuisikohan Ilmavoimat piensatelliittien laukaisemisesta?

Aulis-sammakko

Pienen piirin kulttimaineeseen nousseen fiktiivisen Aulis-sammakon tarinaa pääsee nyt seuraamaan avoimessa netissä. Auliksen huimiin seikkailuihin liittyy myös sähköpurje tavalla tai (enimmäkseen) toisella. Mitään Aulis-sammakon kaltaista ei ole ennen kirjoitettu, eikä ehkä tulla kirjoittamaankaan...

Tästä Auliksen matkaan: http://aulissammakko.blogspot.fi

"Katsokaas kun minussa on vielä toinenkin jännä puoli. Minä en ole ihan sellainen sammakko joita te olette ehkä nähneet kesämökin kuistin alla. Minä tulen kaukaa Etelä-Amerikasta ja minä olen vähän hallusinogeeninen."

Sähköpurjekolumni 40

Sähköpurjekolumni 28.10.2016

Voisiko sähköpurjeella helpottaa kantorakettien tehtävää eli nousemista kiertoradalle? Ei suoraan, mutta ehkä välillisesti: Haetaan sähköpurjeilla asteroideilta sopivaa raaka-ainetta kuten vettä, tuodaan se matalalle kiertoradalle, tehdään siitä rakettipolttoainetta ja suoritetaan kantoraketin kakkosvaiheen välitankkaus, jonka turvin kakkosvaihe pystyy laskeutumaan Maahan uudelleenkäyttöä varten. Uudelleen tankattu rakettivaihe suorittaa 7 km/s jarrutuspolton ja putoaa lähes pystysuoraan ilmakehään. Lämpösuojausta ei juuri tarvita, mikä pienentää kantoraketin massaa ja huoltokuluja.  Tankkia ei tarvitse täyttää kokonaan, koska paluuvaiheessa kuormana on yleensä vain vaiheen oma massa ilman hyötykuormaa. Tuloksena on kokonaan uudelleenkäytettävä kantorakettijärjestelmä, jonka massasuhde ei ole juurikaan perinteistä kertakäyttöistä laukaisinta huonompi ja joka ulkoisestikin muistuttaa perinteisiä raketteja.  Mutta kiertoradalla tarvitaan polttoaineen lähde.

Asteroidien lisäksi rakettipolttoainetta voidaan tuottaa yläilmakehän kaasusta. Matalalla lentävän satelliitin sopivasti muotoillussa etumaskissa voi olla törmääviä ilmamolekyylejä säiliöön keräävä tyhjiöpumppu. Laboratoriossahan tyhjiöpumppuja on monenlaisia ja niitä käytetään tyhjiön tuottamiseen, mutta nyt ollaan kiinnostuneita pumpun tuottamasta kaasusta eikä sen luomasta tyhjiöstä jota avaruudessa riittää muutenkin. Satelliitissa on lisäksi ilmaa ajoaineenaan käyttävä sähkörakettimoottori (ionimoottori tai Hall-moottori), joka kompensoi satelliitin ilmanvastuksen ja ylläpitää aluksen rataa. Euroopan avaruusjärjestö on kehittänyt tällaista ilmaa hengittävää sähkörakettia. Sähköraketin suihkun nopeus (tyypillisesti 20-40 km/s) on paljon 8 km/s ratanopeutta korkeampi, joten sähköraketti itse kuluttaa periaatteessa vain osan kerätystä ajoaineesta. Sähkörakettimoottorin ja ajoaineen välivarastona toimivan tankin avulla satelliitti voi muuttaa ratakorkeuttaan ja radan inklinaatiota. Sopivasti muotoillun rungon aerodynamiikkaa voi lisäksi käyttää hyväksi radan inklinaatiomuutosten vahvistamiseen.

Tällainen satelliitti on tavallaan 150-250 km korkeudella operoiva aurinkosähköllä toimiva lentokone, joka ei uhmaa painovoimaa siivillä vaan suuresta nopeudesta johtuvan ympyräradan keskipakoisvoiman avulla, mutta käyttää ympäröivää ohutta ilmaa työntövoiman tuottamiseen ja radan muuttamiseen.

Tekniikka mahdollistaa siis matalalla lentävän satelliitin, joka pystyy muuttamaan rataansa mielivaltaisesti eikä silti kuluta ajoainetta vaan päinvastoin voi jopa tuottaa sitä. Matala lentokorkeus tekee satelliitin immuuniksi kiertorataromulle: se ei kärsi olemassaolevasta romusta eikä tuota uutta romua. Matalasta lentokorkeudesta on lisäksi etua monissa satelliittien sovelluksissa kuten kaukokartoituksessa ja tietoliikenteessä. Tekniikan yksi mahdollinen lisäsovellus saattaisi ehkä olla kantoraketin tankkaus kiertoradalla propulsiivista paluuta varten.

Koska yläilmakehä koostuu lähinnä typestä ja hapesta, menetelmällä voi tuottaa hapetinta, mutta ei polttoainetta.  Hapetin on kuitenkin polttoainetta raskaampi komponentti, joten senkin tuottamisesta paikallisesti olisi merkittävä etu. Polttoainetta täytyy nostaa perinteiseen tapaan maasta tai sitä voidaan tuoda asteroideilta sähköpurjeella ja ilmajarrutuksella.