Sähköpurjeen kuulumisia

Tämä juttu on julkaistu Avaruusluotaimessa 1/2007 ja sen taitettu PDF versio on ladattavissa Suomen Avaruustutkimusseuran sivuilta.

Viime numerossa olleen sähköpurjeuutisen jälkeen on aiheen tiimoilla tapahtunut melko paljon. Elektronitykin suunnittelu on edennyt ja näyttää ainakin massa-arvojen puolesta hyvältä. Kuten muualla tässä numerossa kerrotaan, lankamateriaalien selvitystyössä on löydetty firma joka pystyy toimittamaan tarvittavan ohutta ja yllättävän vahvaa metallilankaa. Työn on tarkoitus jatkua lankaliitosten tutkimuksella: hitsausta tai juottamista joko laserilla tai ultraäänellä, ja sen olisi lopulta tapahduttava automaattisesti ja nopeasti, koska täysikokoisessa sähköpurjeessa on lankaliitoksia jopa yli 100 miljoonaa. Sähköpurjeen "lentosimulaattorin" ohjelmointityö on alkamassa, samoin ratalaskut joissa selvitetään kulkuaikoja, hyötykuormia ja laukaisuikkunoiden ajallisia kestoja erilaisille asteroidi- ym. missioille.  Rahoituksen haku on täydessä käynnissä ja sen tuloksista voi parhaassa tapauksessa olla jotain kerrottavaa ensi numerossa.

Sähköinen aurinkotuulipurje - uusi tapa liikkua avaruudessa

Tämä juttu on julkaistu Avaruusluotaimessa 4/2006 ja sen taitettu PDF versio on ladattavissa Suomen Avaruustutkimusseuran sivuilta.

Suur-Helsingin kokoinen avaruusalus joka painaa parisataa kiloa ja lentää 50 km/s ilman moottoreita  aurinkotuulen työntämänä? Näin esitettynä ajatus voi tuntua järjettömältä. Mutta itse asiassa aluksen rakentaminen ei välttämättä ole teknisesti kovin hankalaa. Takana oleva fysikaalinen idea on uusi ja kehitetty Suomessa.

Menetelmässä käytetään pitkiä metallilankoja, jotka pidetään positiivisessa potentiaalissa ympäröivään aurinkotuuliplasmaan nähden aluksessa olevan elektronitykin avulla. Lankojen pitää olla pitkiä, vähintään 10 kilometriä, ja niitä tarvitaan noin sata jotta aurinkotuulen vieno puhuri jaksaisi työntää alusta merkittävästi. Lankojen pitää olla myös hyvin ohuita, vain 20 mikrometrin paksuisia, jotta ne eivät painaisi liikaa.

Selvitetään heti yksi asia. Niinsanottu aurinkopurje ei käytä aurinkotuulta, vaan Auringon säteilypainetta, joka on noin 5000 kertaa vahvempi kuin aurinkotuulen dynaaminen paine. Usein julkisuudessa asiat sekoavat ja annetaan ymmärtää että aurinkopurje käyttäisi aurinkotuulta, mitä se siis ei tee. Toisin sanoen tämä uusi keksintö eli sähköinen purje tekee sitä mitä joskus  erehdyksessä luullaan aurinkopurjeen tekevän ...

Miksi kannattaisi käyttää aurinkotuulta, jos kerran säteilypaine on 5000 kertaa voimakkaampi? Idea on siinä että varattujen lankojen ympärille muodostuva sähkökenttä ulottuu kymmenien metrien päähän langoista, jolloin aurinkotuuli "näkee" langat paljon paksumpina kuin ne fyysisesti ovat. Ohut lanka painaa äärimmäisen vähän metriä kohti ja on sitäpaitsi teknisesti helpompi käsitellä kuin tavallisessa aurinkopurjeessa tarvittava repeytymiselle altis purjekalvo. Lankojen ohuudesta johtuu myös, että niihin saapuva elektronivirta on niin heikko, että se voidaan kompensoida pienehköllä noin kilowatin tehoisella elektronitykillä, joka saa energiansa tavallisista aurinkopaneeleista. Toimiva tapa virittää langat on laittaa alus pyörimään ja rullata langat hitaasti auki säilytyskeloiltaan, jolloin keskipakoisvoima pitää ne tiukalla ja estää niitä sekoittumasta. Myös säätäminen ja ohjaaminen onnistuvat kyseisellä konstruktiolla.

Aurinkotuulen voima osoittaa aina poispäin Auringosta, joten luonnollisin tapa käyttää sähköpurjetta on lentää ulos aurinkokunnasta tai suorittaa jonkin kaukaisen kohteen ohilento. Kallistamalla purje vinoon sen avulla voi kuitenkin myös luovia sisäänpäin kohti Aurinkoa. Kerran rakennetun purjeen työntövoima ei maksa mitään, joten sillä voi myös leijua paikoillaan, siis esimerkiksi Maan ja Auringon välissä jossain muualla kuin Lagrangen pisteessä, millä voisi olla mielenkiintoisia sovelluksia avaruussään ennustamisen kannalta. Kaikkien mielenkiintoisinta on kuitenkin, että jos tekniikka onnistutaan kehittämään loppuun saakka, sillä voidaan periaatteessa saavuttaa hyvin suuria loppunopeuksia, jopa 50-100 km/s eli 10-20 au:ta vuodessa. Sillä vauhdilla matka Plutoon taittuisi 2-4 vuodessa. Pysähtyä ei tietenkään voisi. Hyötykuormat eivät voi olla kovin suuria, ehkä 50-100 kg on maksimi jos halutaan suuria loppunopeuksia. Miniatyrisoinnin takia tähän massaan voidaan kuitenkin jo nyt, ja tulevaisuudessa vielä enemmän, pakata merkittäviäkin tieteellisiä instrumentteja. Kaupallisina sovelluksina voidaan mainita vanha ajatus hakea asteroidien raaka-aineita korkealle Maan kiertoradalle, jolloin niistä voitaisiin valmistaa esim. rakettipolttoainetta halvemmalla kuin Maasta laukaisemalla. Kevyt, noin 100 kilon painoinen sähköpurjealus voisi periaatteessa siirtää useiden tonnien painoisen kuorman esim. asteroidilta korkealle Maan kiertoradalle, jos aikaa annetaan muutama vuosi.

Sähköinen purje on vasta alle vuoden ikäinen keksintö, emmekä vielä tiedä tuleeko se täyttämään antamiaan lupauksia suurista nopeuksista ja entistä halvemmista missioista. Sen tulee aika näyttämään, mutta aikaa odotellessa voit vaikka katsella sähköpurjeanimaatiota, (joka oli myös Suomen Avaruustutkimusseuran jäsenlehden, Avaruusluotaimen, numeron 4/2006 mukana tulleella liiterompulla.)

 
Tyypillisiä sähköpurjeen parametreja, joita usein käytetään suunnittelun lähtökohtana:

Luokitus propulsiomenetelmänä: Ajoaineeton propulsio (purje)

Lankojen lukumäärä: 100

Yksittäisen langan pituus: 20 km

Pyörähdysaika: 12 min

Yksittäisen säikeen paksuus: 20 um

Säikeiden lukumäärä: 4 (oltava >1 mikrometeorien takia)

Langan jännite: 20 kV

Elektronitykin maksimiteho: 500 W

Maksimi elektronivirta: 25 mA

Keskimääräinen aurinkotuulen dynaaminen paine (1 AU): 2 nPa

Keskimääräinen aurinkotuulen lankasegmenttiin kohdistava voima (1 AU): 50 nN/m

Keskimääräinen työntövoima (1 AU): 0.1 N

Sähköpurjesysteemin massa (langat, aurinkopaneelit ja elektronitykki): 100 kg

Keskimääräinen kiihtyvyys (1 AU): 0.5-1 mm/s^2

Lankojen avaamiseen kuluva aika: 3 viikkoa

Lankojen avaamisnopeus: 0.5 cm/s

Tarvittava impulssimomentti: 2 x 10^7 kg m^2/s

Impulssimomentin lähde: Tavallinen propulsio tai pumppausmenetelmällä aurinkotuulesta

Ohjaus: Säätövastuksilla ja lankapituuksien hienosäädöllä

Ohjattavuus: Verrattavissa tavalliseen purjehdukseen

Käyttöympäristö: Planeettojen magnetosfäärien ulkopuolella, heliosfäärin sisällä

Säädettävyys: Työntövoima täysin säädettävissä sähköisesti, voimavektorin suunta +-20 astetta radiaalisuunnasta

Katsaus tulevaisuuden avaruusalusten propulsiomenetelmiin

Julkaistu Avaruusluotaimessa 3/2003.

Propulsiolla tarkoitetaan erilaisia avaruusalusten kiihdyttämiseen käytettäviä tekniikoita. Useimmin käytetty propulsiomenetelmä on palamiseen perustuva kemiallinen raketti. Kuten tunnettua, kemiallisten raketeilla ei voida saavuttaa kovin suuria nopeuksia paitsi suuresti kasvattamalla aluksen lähtöpainoa (käytännön yläraja on ehkä 20 km/s, silloin hyötykuorman suhde lähtöpainoon on jo todella pieni). Tästä syystä kemiallista rakettia parempia propulsiomenetelmiä on etsitty  intensiivisesti jo 30-40 vuotta ja etsintä jatkuu yhä. Tämän katsauksen aiheena ovat kemiallista rakettia paremmat propulsiomenetelmät, jotka toimivat tyhjässä avaruudessa. Kaikenkokoisten hyötykuormien nosto ilmakehän läpi kiertoradalle nykyistä paljon taloudellisemmin, joustavammin ja luotettammin on toinen tärkeä ratkaisua odottava ongelma, mutta sitä ei käsitellä tässä. Voidaan väittää että koko avaruustoiminnan luonne ja laajuus tulevaisuudessa riippuvat kyvystämme ratkaista nämä kaksi propulsiotekniikan avainkysymystä. Tästä syystä on aika ajoin syytä päivittää tietonsa ja luoda katsaus propulsiomenetelmien nykytilaan: onko mullistavia menetelmiä tulossa tai kehitteillä?

Magnetoplasmadynaaminen propulsiojärjestelmä testissä. Kuva:

http://www.islandone.org/APC/

Ydin- ja aurinkoenergia

Aktiivisen propulsiomenetelmän energianlähteeksi käy ydin- tai aurinkoenergia. Yksinkertaisin tapa käyttää energialähdettä on kuumentaa sen avulla ajoainetta, jolloin syntyy alusta eteenpäin vievä suihku (ns. terminen propulsio). Ydinreaktoriin perustuvaa termistä propulsiota kehiteltiin 1970-luvun alussa NERVA-projektissa USA:ssa, mutta projekti keskeytettiin ennen pääsyä koelentovaiheeseen. Suunnitellulla 10 tonnin painoisella ja 1,5 gigawatin tehoisella NERVAydinraketilla olisi parhaassa tapauksessa päästy noin kaksinkertaiseen pakosuihkun nopeuteen kemialliseen rakettiin verrattuna (siis myös kaksinkertaiseen loppunopeuteen, mikäli lähtöpainon ja hyötykuorman suhde on sama molemmissa tapauksissa). Suurempi pakosuihkun nopeus johtuu siitä että NERVA:n suihku on molekylaarista vetyä, kun taas perinteisen vetyä polttavan kemiallisen raketin suihku on vettä. Koska vetymolekyyli on vesimolekyyliä kevyempi, sen terminen nopeus samassa lämpötilassa on suurempi kuin vesimolekyylillä. Lämpötila on molemmissa tapauksissa suunnilleen sama (n. 3000 K); fissioreaktioista saataisiin toki energiaa vaikka kuinka paljon, mutta rajoittavana tekijänä on reaktorin sulamispiste. Koska saatava suorituskyky ei ole järin paljon kemiallisia raketteja parempi, mutta tekniikka on vaikeaa ja vaarallistakin, on epätodennäköistä että NERVA:n kaltaista ydinrakettia koskaan rakennetaan.

Kuvassa nähdään täydellisen NERVA-järjestelmän mallikappale. Regeroivilla jäähdytyskanavilla varustettu suutin on alaosassa. Reaktoriydin on keskellä, reaktorin säätöjärjestelmät puolestaan yläosassa. Ytimen yläosassa näkyvät pienet suuttimet ovat kuumennettua vetyä käyttäviä ja osa asennonsäätöjärjestelmää. Päänestevetytankki on kartiomainen hahmo kuvan yläosassa. Neljän pallomaisen tankin ryppään oli tarkoitus sisältää päävetypumppujen pettäessä ytimen hätäpysäytyksessä ja ­jäähdytyksessä käytettävää nestevetyä. Kuva: Westinghouse.

Monimutkaisempi tapa käyttää ydinenergiaa on rakentaa alukseen kokonainen ydinvoimala nestekiertoineen, turbiineineen ja generaattoreineen ja varustaa alus vielä ionitai plasmamoottorilla joka muuntaa sähköenergian varattujen hiukkasten pakosuihkuksi. Tällainen propulsiomenetelmä on käytössä suunnitteilla olevassa JIMO-aluksessa (Jupiter Icy Moons Orbiter). Menetelmän etuja ovat periaatteessa mielivaltaisen suuri pakosuihkun nopeus (siis periaatteessa rajaton loppunopeus), modulaarisuus ja joustavuus. Nykytekniikalla toteutettuna haittapuolena on pieni työntövoima ja siitä seuraava vaatimaton kiihtyvyys, mikä johtuu melko huonosta teho-painosuhteesta. Teho-painosuhteen P/m sekä kiihtyvyyden a ja pakosuihkun nopeuden v välillä vallitsee verrannollisuus P/m ~ a*v. Pakosuihkun nopeus v puolestaan on verrannollinen saavutettavissa olevaan loppunopeuteen, verrannollisuuskerroin riippuu siitä, kuinka paljon lähtömassasta on ajoainetta. Jos halutaan suuri loppunopeus v (esim. v = 100 km/s) ja kohtuullinen kiihtyvyys (esimerkiksi a = 0,01 m/s2), pitää aluksen teho/painosuhteen olla suuruusluokkaa 1 kW/kg (karkeasti ottaen sama kuin nykyaikaisen autonmoottorin). Tällöin kiihdytys loppunopeuteen 100 km/s kestäisi 4 kk. Itse asiassa jos tällainen alus kyettäisiin valmistamaan, se merkitsisi jo aikamoista vallankumousta avaruuden valloituksessa! Plasmamoottoria testaavan eurooppalaisen SMART-1 ­luotaimen (ks. myös s. 5) massa on n. 300 kg ja teho n. 3 kW, eli teho-painosuhde on n. 10 W/kg. Tällaisella teho-painosuhteella kiihtyvyys olisi vain 0,0001 m/s^2 ja kiihdytys nopeuteen 100 km/s kestäisi peräti 30 vuotta. SMART-1 käyttää sähköenergian tuottamiseen perinteistä aurinkopaneelia.

Kohdistamalla auringon säteily parabolisen peilin tai polttolasin avulla pienelle alueelle päästään maksimissaan lähelle Auringon pintalämpötilaa (5800 K). Syntyvä kuumuus on siis riittävä, rajan asettaa taaskin materiaalin kestävyys eikä itse energialähde. Koska aurinkokeräin on pelkkä heijastin, se voidaan ainakin periaatteessa rakentaa pinta-alayksikköä kohti hyvin kevyeksi. Voidaan ajatella että mikä tahansa ydinreaktoriin perustuva propulsiomenetelmä voisi toimia myös aurinkokeräimen avulla: ydinreaktorihan ei ole mitään muuta kuin avaruusaluksen kiinteä osa jota jokin prosessi (fissio) lämmittää. Aurinkokeräimeen perustuvia sähkögeneraattoreita on kehitelty jo 1960-luvulla, mutta kokonaisia lentäviä aluksia propulsiosysteemeineen ei tiettävästi ole rakennettu. Syynä tähän on todennäköisesti enemmänkin poliittinen sattuma kuin suuret tekniset ongelmat.

Aurinkokeräin-plasmamoottoriyhdistelmä voi tulevaisuudessa olla varteenotettava vaihtoehto ydinreaktori-plasmamoottoriyhdistelmälle lennoilla jotka eivät ulotu liian kauas Auringosta. Vielä Marsin etäisyydellä säteeltään 30-metrinen aurinkokeräin pystyy keräämään lähes 2 megawatin lämpötehon. Tällaisen keräimen massa voisi olla alle 100 kg, jos se olisi valmistettu keskimäärin 10 mikrometrin paksuisesta alumiinista. Jos 20 % lämpötehosta pystyttäisiin muuttamaan plasmasuihkun energiaksi, tämä riittäisi antamaan tonnin painoiselle alukselle melko mukavan teho-painosuhteen 400 W/kg.

Aurinkopurjeet ja magneettiset purjeet

Passiivisia propulsiomenetelmiä (purjeita) on myös kehitteillä. Maan etäisyydellä Auringon säteily aiheuttaa heijastavaan kohtisuoraan pintaan voiman, jonka suuruus on lähes 10 mikronewtonia neliömetrille. Kiihtyvyyden 0,003 m/s2 antamiseksi tonnin painoiselle alukselle tarvitaan 3 newtonin voima. Tällaisen voiman antaisi siis 30 hehtaarin aurinkopurje. Purjeen pitäisi kuitenkin olla todella ohut, alle 1 mikrometri, jotta sen massa jäisi alle tonnin ja tilaa jäisi vielä hieman hyötykuormallekin. Aurinkopurje on periaatteessa ekvivalentti 100-prosenttisella hyötysuhteella toimivan aurinkoenergiaa käyttävän fotoniraketin kanssa. Koska tavoiteltavat loppunopeudet ovat kaukana valon nopeudesta, fotonien käyttö ajoaineena on energian tuhlausta. Tästä syystä aurinkopurjeen on oltava paljon plasmamoottorin aurinkokeräintä suurempi, jotta sillä päästäisiin samaan työntövoimaan. Toisaalta tasomainen aurinkopurje on helpompi pingottaa muotoonsa esimerkiksi pyörittämällä kuin aurinkokeräin, jonka on oltava paraboloidin muotoinen.

Aurinkopurje käyttää siis voimanlähteenään Auringon säteilypainetta. Toisinaan julkisuudessa esiintyy harmillinen väärinkäsitys, jonka mukaan aurinkopurjeen voimanlähde olisi aurinkotuuli. Aurinkotuulenkin valjastamista propulsiotarkoituksiin on kyllä mietitty. Aurinkotuulen ns. dynaaminen paine vaihtelee suuresti, mutta on keskimäärin Maan etäisyydellä n. 2 nanonewtonia neliömetrille, siis n. 5000 kertaa heikompi kuin Auringon säteilypaine. Aurinkotuulen dynaaminen paine pienenee Auringosta mitatun etäisyyden neliössä kuten säteilypainekin. Aurinkotuulen etuna on kuitenkin, ettei sen poikkeuttamiseen tarvita välttämättä kiinteää purjetta, vaan esimerkiksi aluksen ympärille luotu vahva magneettikenttä riittää. Tutkimalla asiaa todetaan että optimaalinen ratkaisu on mahdollisimman suuri ja kevyt ympyränmuotoinen virtasilmukka jossa kulkee mahdollisimman suuri sähkövirta. Jos virtasilmukan läpimitta on muutamia kymmeniä kilometrejä ja siinä kulkee muutaman kymmenen kiloampeerin virta, se aikaansaa ympärilleen keinotekoisen magnetosfäärin, joka on jonkin verran silmukan läpimittaa suurempi. Jotta silmukka ei painaisi liikaa, sen pitäisi olla noin yhden millimetrin läpimittaista lankaa. Näin ohuessa sähköjohdossa voi kulkea kymmenien kiloampeerien virta vain jos lanka on suprajohtavassa tilassa. Lanka pitäisi siis saada mahdollisimman kylmäksi. Minkäänlainen aktiivinen jäähdytys ei tule kyseeseen, koska se sisäisi systeemin painoa aivan liikaa. Passiivinen jäähdytys on mahdollista: lanka voidaan päällystää materiaalilla, joka heijastaa mahdollisimman hyvin auringonvaloa, mutta päästää lämpösäteilyn lävitseen (kasvihuoneilmiön vastakohta). Passiivisella jäähdytyksellä päästään Maan etäisyydellä karkeasti noin -100 celsiusasteeseen. Tämä ei valitettavasti vielä ole riittävän kylmää nykyisin tunnetuille suprajohtaville materiaaleille.

Mikä on paras menetelmä?

Aurinkokeräimeen tai ydinreaktoriin perustuvat plasmamoottorit ovat varmaankin todennäköisin seuraaja kemiallisille raketeille. Erilaisten plasmamoottorien kehittelyn soisi jatkuvan kiivaana, koska erilaisia toimintaperiaatteita on useita ja kaikkia ei välttämättä ole vielä keksittykään. Aurinkokeräimiä ei saisi unohtaa ja niiden pingotustekniikoita pitäisi selvittää. Koska ISS on olemassa, keräin tai purje voitaisiin myös koota kiertoradalla, jolloin sen ei tarvitse olla "itselaukeavaa" mallia. Keskeisintä on saada kaikkien komponenttien teho/painosuhdetta nostetuksi nykyisestä. Tämän "mainstream"-vaihtoehdon ulkopuolelta voi tulla varteenotettavia haastajia, mikäli avaintekniikoissa tapahtuu läpimurtoja. Aurinkopurjeiden kohtalo riippuu ohuiden heijastavien kalvojen valmistustekniikasta, magneettisen purjeen tulevaisuus puolestaan korkean lämpötilan suprajohteiden kehittymisestä. Fuusioenergiaa voitaisiin käyttää, kunhan sen synnyttäminen laboratoriooloissa ensin onnistuisi. Ydinräjähteisiin perustuva propulsio ("Project Orion") olisi luultavasti teknisesti mahdollinen jo nykytekniikalla, mutta avaruusaluksen pitäisi olla valtavan suurikokoinen (vähintään satojen tonnien painoinen). Ydinräjähteen minimikoon sanelee neutronien vapaa matka, mikä ei ole tekniikan keinoin muutettavissa.

Taustaa
Hyvä propulsiosivusto on osoitteessa
http://www.islandone.org/LEOBiblio/.

Ilmatieteen laitoksen Geofysiikan tutkimus tekee paraikaa ESA:n toimeksiannosta selvitystä magneettisen propulsion teoriasta. Tässä yhteydessä kirjoittaja tuli tutustuneeksi myös muiden propulsiomenetelmien teoriaan.

Pekka Janhunen
Pekka.Janhunen@fmi.fi

Sähköpurjeblogin alkulaukaus

2.7.2013, nettiversion alkajaisiksi

Sähköpurjeprojektia on seurattu alusta asti Suomen Avaruustutkimusseuran (SATS-SAFF) jäsenlehden, Avaruusluotaimen, sivuilla. Tähän blogiin on nyt kerätty näitä sähköpurjekolumneja, sekä muita sähköpurjeeseen liittyviä populaarikirjoituksia. Osa materiaalista on ennenjulkaisematonta. Eninosa näistä kirjoituksista on sähköpurjeen ideoineen ja projektia vetävän Pekka Janhusen kirjoittamia, mutta myös muiden projektin jäsenten kirjoituksia sähköpurjeprojektia sivuavista aiheista tullaan julkaisemaan.

Lisää tietoa sähköpurjeesta löydät sen omilta sivuilta: http://www.electric-sailing.fi/index_fi.html

Sähköinen aurinkotuulipurje taiteilijan näkemänä. Antigravite/Alexander Szames

Mielenkiintoisia hetkiä sähköpurjeen kyydissä!

                          Sini Merikallio, Avaruusluotaimen päätoimittaja 2006 - 2010

PS. Otetaan ohjenuoraksi Johannes Rynön, 7v, kirjoittama kirje avaruusmiehille.
Johannes yritti lähettää viestinsä ilmapallon matkassa, mutta pakkolaskun jälkeen kirje saapui perille isän tuomana. Piirustus: Esko ’Eksa’ Heikkilä: