ESTCube-1 sähköpurjeen testi kiertoradalla

Sähköpurjekolumni 4.6.2009, julkaistu Avaruusluotaimessa 2/2009.

Sähköpurje-efekti on nyt tarkoitus mitata kiertoradalla. Satelliitin nimi on ESTCube-1, laukaisu 2012 ja se tulee olemaan Viron ensimmäinen satelliitti jonka rakentavat pääosin Tarton yliopiston opiskelijat. Satelliitin hyötykuormana on 10 m pituinen sähköpurjelieka sekä kamera. Lieka voidaan varata sähköisesti, jolloin siihen kohdistuu sähköpurjevoima, koska satelliitti lentää matalalla kiertoradallaan noin 7 km/s nopeudella ionosfääriplasman läpi. Sähköpurjevoiman suuruus mitataan liean ja satelliitin pyörimisliikkeen muutoksesta. Satelliitti on ns. yhden U:n cubesat eli sen massa on yksi kilogramma. Muodoltaan se on 10 cm kuutio jonka sivut on peitetty aurinkopaneeleilla. Hyötykuorman päävastuu on Ilmatieteen laitoksella, mutta hankkeessa on mukana myös muita kotimaisia ja ulkomaisia partnereita. Satelliittihankkeen kokonaiskustannusarvio on suuruusluokkaa 100,000 euroa.

ESTCube-1 nousee avaruuteen jonkin isomman satelliitin kylkiäisenä majaillen P-POD -laukaisuputkessa yhdessä muiden cubesatien kanssa. Kiertoradalle päästyään putken mekanismi potkaisee cubesatit ulos. ESTCube-1 stabiloi asentonsa magneettikeloilla, suorittaa tavanmukaiset alkutoimet (laitteiden tarkistus, radioyhteyden kokeilu ym.) ja ottaa muutamia kuvia Maasta. Sen jälkeen satelliitti laitetaan pyörimään hallitusti ja sähköpurjelieka lasketaan ulos kelalta. Lieka suoristuu keskipakoisvoiman vaikutuksesta ja sen päässä oleva pieni merkkipallo voidaan nähdä satelliitin kameran kuvissa. Nyt liekaan kytketään jännite päälle periodisesti esim. niin että jännite on päällä aina kun lieka liikkuu pyöriessään vasten ionosfääriplasman virtausta. Tällöin sähköpurjevoima jarruttaa liean pyörimistä hieman jokaisella puolen minuutin kierroksella. Vaikka voima on heikko, riittävän monen kierroksen jälkeen se pystyy muuttamaan liean ja satelliitin pyörimisnopeutta havaittavalla tavalla. Pyörimisnopeuden muutos voidaan mitata gyroskooppianturilla tai määrittämällä kameran kuvista kuinka usein Maa tulee näkökenttään.

EstCube-1 on 10 cm kanttiinsa.

ESTCube-1 lentää siis ionosfäärissä matalalla kiertoradalla, kun taas oikeiden sähköpurjealusten toimintaympäristö on tunnetusti aurinkotuuli.  Ionosfääriplasma virtaa satelliittiin nähden 50-100 kertaa hitaammin kuin aurinkotuuli mutta toisaalta se on jopa miljoona kertaa aurinkotuulta tiheämpää. Myös liean jännite on matalampi, vain 200 V eikä 20-40 kV kuten oikeissa sähköpurjealuksissa. Joka tapauksessa havaittava fysikaalinen ilmiö on sama, ja ESCube-1:n tuloksesta saadaan suoraa kokeellista tietoa siitä millainen suorituskyky oikeilla aurinkotuulessa lentävillä sähköpurjealuksilla tulee olemaan.

Vielä 8 kk sitten ei ollut lainkaan selvää että sähköpurje-efektiä voitaisiin ylipäätään järkevästi mitata muualla kuin aurinkotuulessa tai että mittaus voitaisiin tehdä niin äärimmäisen pienellä ja halvalla satelliitilla kuin mitä ESTCube-1 on. (Itse asiassa jo ajatu siitä että vain 1 kg painava satelliitti voi ylipäätään toimia on varsin uusi.)  17.4.2009 julkaistu ESTCube-1 -suunnitelma on useiden viimeaikaisten fysikaalisten ja teknisten oivallusten kombinaatio, jossa palaset loksahtavat lopulta kauniisti paikoilleen. Ei ole mitään syytä miksi satelliitin pitäisi tässä tapauksessa olla suurempi kuin 1 kg.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen voima on aiemmin arvioitua suurempi

Aiemmin julkaistu Avaruusluotaimessa 1/2009.

Asiat menevät joskus monimutkaista reittiä. Viimeksi kerroin negatiivisesta sähköpurjeesta ja että se voisi olla alkuperäistä positiivista voimakkaampi. Nyt on alkuperäistä positiivista purjetta analysoitu uudestaan ja näyttää siltä että se onkin noin viisi kertaa voimakkaampi kuin alunperin arvioitiin. Löytyi nimittäin mekanismi joka poistaa positiivisesta sähköpurjeesta liean sähkökentän vangiksi jääneet elektronit muutamassa minuutissa. Kun vangiksi jääneet elektronit eivät enää kiepu positii visen liean ympärillä, ne eivät varjosta sen sähkökenttää. Tällöin kenttä tunkeutuu kauemmas lieasta, jolloin purje muodostaa leveämmän esteen aurinkotuulelle ja tuottaa suuremman voiman.

Elektronit poistuvat vankilastaan yksinkertaisesti törmäämällä liekaan. Vangitun elektronin rata liean ympärillä on muodoltaan kuin kierrejousi. Rata kuitenkin muuttuu aina kun hiukkanen vierailee liekojen kiinnityskohdan eli avaruusaluksen lähellä missä sähkökenttä on epäsymmetrinen. Joskus harvoin ratamuutos on sellainen että se asettaa elektronin törmäyskurssille liean kanssa. Elektronit liikkuvat niin nopeasti, että harvinainenkin tapahtuma toteutuu ennen pitkää. Lopputulos on että liean potentiaalin päällekytkemisen yhteydessä vangiksi jääneet elektronit eivät ole ikuisia, vaan törmäävät liekaan ja kulkevat liekametallin johtavuuselektroneina sähköpurjealukseen, jonka elektronitykki heittää ne lopuksi avaruuteen kuten muutkin liekaan osuneet elektronit. 

Sähköpurje hakkaa SMART-1:sen ionimoottori 100-1, kun puhutaan elinaikasuoritteesta. Kuva: ESA/OHB-Sweden

Mihin sähköpurje tämän uuden opin mukaan voisi pystyä? Jos laite toimii kymmenen vuotta ja hinaa hyötykuormia esimerkiksi asteroideilta Maan kiertoradalle, sen elinaikanaan tuottama ominaisimpulssi (työntövoima kertaa käyttöikä jaettuna laitteen massalla) on karkeasti tuhat kertaa suurempi kuin kemiallisessa raketissa ja sata kertaa suurempi kuin SMART-1:n tai DS-1:n ionipropulsiossa. Tuhatkertainen suorituskyky: kuin harppaus 1990 -luvun alun webittömästä tietotekniikasta nykypäivään tai kivikautisesta ruuhesta valtamerifregattiin. Uusi toiminta periaate, uudet sovellukset, uusi maailma.

En vaadi Karthagon hävittämistä, mutta muuten olen sitä mieltä että sähköpurje pitäisi rakentaa

Negatiivinen sähköpurje

Sähköpurjekolumni 8.10.2008

Alkuperäinen sähköpurje perustuu positiivisesti varattuihin liekoihin. Lieat voisi varata myös negatiivisesti, jolloin ne vetäisivät aurinkotuulen protoneja puoleensa. Protonit muuttaisivat suuntaansa liean sähkökentässä, jolloin syntyisi samantapainen sähköpurje-efekti kuin positiivisenkin liean tapauksessa. Negatiivisen sähköpurjeen mahdollisuus on ollut tiedossa alusta alkaen, mutta suhtauduin siihen nuivasti koska siinä on monia hankaluuksia.

Nyt kuitenkin on käynyt ilmi että negatiivinen sähköpurje saattaisi tuottaa suuremman voiman per liean pituusyksikkö kuin positiivinen. Syynä tähän on se että ionit eivät juurikaan voi jäädä vangiksi liean sähkökenttään silloin kun kenttää kasvatetaan, koska aurinkotuulessa ei ole juuri lainkaan hitaita ioneja. Tällöin liekaa ympäröivä ionipilvi ei ole sen tiheämpi kuin ympäröivä aurinkotuuliplasmakaan, minkä takia pilven aiheuttama sähköinen varjostus vaimentaa liean sähkökentän vasta kauempana.

Mitä sitten ovat negatiivisen sähköpurjeen ongelmat?  Negatiivisen jännitteen ylläpitämiseen tarvitaan ionitykki, mikä on monimutkaisempi laite kuin elektronitykki. Ionit pitää luoda ionisoimalla esimerkiksi jotakin jalokaasua, jota kuluu prosessissa. Auringon UV-säteily irrottaa lieoista elektroneja (valosähköinen ilmiö). Niiden pois kuljettama varaus pitää sekin kompensoida ionitykillä. Langan pinnan voimakas sähkökenttä saattaa pystyä repimään elektroneja irti langasta (kenttäemissio).

Tällä hetkellä näyttäisi mahdolliselta että kaikki nämä ongelmat ovat kuitenkin periaatteessa ratkeavia. Ionitykki voidaan rakentaa, eikä ionien luomiseen kulu liikaa ainetta. Valosähköinen elektronivirta ei ole liian suuri tykillä kompensoitavaksi. Liean pinnalla vallitseva kenttä voidaan saada kohtuulliseksi käyttämällä liekana monesta langasta kudottua putkimaista verkkosukkaa.

Aika näyttää pystyykö negatiivinen sähköpurje kilpailemaan alkuperäistä positiivisesti varattuihin lankoihin perustuvan sähköpurjeen kanssa.  Voisi myös ajatella hybridipurjetta, joka sisältäisi liekojen lisäksi elektroni- ja ionitykin. Moottoria voisi silloin ajaa jopa kolmessa moodissa. Elektronitykki päällä se olisi tavallinen positiivinen sähköpurje, ionitykki päällä negatiivinen sähköpurje ja molemmat tykit päällä se olisi ionimoottori jolla voisi radan sopivissa kohdissa antaa potkua myös Auringon suuntaan. Teoriassa negatiivinen sähköpurje olisi parempi lähellä aurinkoa ja positiivinen taas kaukana auringosta, joten menetelmien yhdistely saattaisi olla järkevää.

Pekka Janhunen

Fermin paradoksi

Avaruusluotaimen kuvitusta, Evoluutio by Esko Heikkilä

Jatkopohdintoja Avaruusluotaimessa 3/2008 olleeseen Saara Reimanin filosofia-artikkeliin Fermin paradoksista, eli miksi Maan ulkopuolinen maailmankaikkeus vaikuttaa elottomalta vaikka Maa ja aurinkokunta muuten tuntuu olevan melko tavallinen paikka.

Saara Reiman pohti mm. kysymystä millä todennäköisyydellä esitumallinen (prokaryoottinen) elämä voi kehittyä ajan mittaan ihmisen tapaiseksi ajattelevaksi ja teknologiseksi elämäksi. Välissähän on monta askelta: esitumallisesta aitotumallinen, aitotumallisesta monisoluinen eläin, eläimestä poikasiaan hoitava nisäkäs, nisäkkäästä aivoja tarvitseva kiipeilevä kädellinen, kädellisestä savannilla kävelevä ihminen, ihmisestä maanviljelijä, maanviljelijästä insinööri.

Tarvitaan tosiaankin monta askelta ennen kuin bakteerista syntyy älykäs olento. Kuitenkin olisin valmis väittämään että kyseessä saattaa sittenkin olla luonnollinen tapahtumasarja, jonka mikään askel ei ole erityisen epätodennäköinen.

Tarkastellaan monisoluisen elämän syntymistä yksisoluisesta. Miksi monisoluinen elämä ilmaantui yhtäkkiä noin 650 miljoonaa vuotta sitten? Onko tälle kambrikauden räjähdyksenä tunnetulle tapahtumalle helppoja, luonnollisia selityksiä?

Avaruusluotaimen kuvitusta, Evoluutio by Esko Heikkilä

Tähdet kirkastuvat vanhetessaan ja niin tekee myös Aurinko, jonka valo voimistuu noin prosentin sadassa miljoonassa vuodessa. Kirkastuminen pyrkii lämmittämään maapalloa, mutta koska ilmakehän hiilidioksidia karbonoituu tulivuorista purkautuneisiin silikaattikiviin sitä nopeammin mitä kosteampaa ja kuumempaa on, päiväntasaajaseudun lämpötila pyrkii pysymään vakiona. Tämä noin 30 vuotta sitten keksitty termostaattimekanismi toimii noin miljoona vuotta ja sitä pitemmissä ajanjaksoissa. Esimerkiksi 1-2 miljardia vuotta sitten aurinko oli 10-20 % nykyistä himmeämpi, päiväntasaaja suunnilleen yhtä lämmin kuin nykyään, mutta hiilidioksidin ja mahdollisesti metaanin aiheuttama kasvihuoneilmiö paljon nykyistä vahvempi. Napa-alueetkin olivat kasvihuoneilmiön takia jäättömiä ja ilmasto kaikkiaan nykyistä tasaisempi. Paradoksaalista kyllä, himmeämmän auringon aikana keskilämpötila oli siis nykyistä korkeampi. Ympäristö ylläpiti yksisoluista elämää, mutta ei tasaisuutensa takia suosinut sen eriytymistä eikä runsastumista, koska meret olivat lämpötilakerrostuneita ja siksi pintaosiltaan ravinneköyhiä. Tilanne muuttui noin miljardi vuotta sitten. Tällöin kasvihuoneilmiö oli heikentynyt riittävästi jotta napajäätiköt ja arktinen merijää saattoivat muodostua. Kylmät meret ovat ravinteikkaita, koska liki tasalämpöinen, nolla-asteinen vesi sekoittuu herkästi pystysuunnassa lämpötilaerojen puuttuessa. Nykyäänkin arktiset merialueet ovat runsastuottoisia, kuten kalastajat ja valaanpyytäjät tietävät. Ravinteisuuden takia planktonlevien kasvu tehostui ja ne tuottivat ilmakehään happea sitä mukaa kun levien sitomaa orgaanista hiiltä hautautui meren pohjaan. Aluksi happi sitoutui kivilajeihin, mutta kun tämä puskuri oli käytetty, lopulta noin 700 miljoonaa vuotta sitten ylijäämähappea alkoi kertyä ilmakehään. Tämän jälkeen vain noin 30 miljoonan vuoden viiveellä ensimmäiset monisoluiset eliöt ilmestyivät meriin.

Yksinkertainen monisoluinen eliö on pelkkä soluterttu, joka hengittää diffuusion avulla ja pystyy siksi kilpailemaan yksisoluisia eliöitä vastaan vain runsashappisessa ympäristössä. Kerran synnyttyään monisoluiset eliöt pystyivät kuitenkin kehittämään mm. verenkierron, jonka avulla ne selviytyvät muuallakin. Ne oppivat myös liikkumaan ja alkoivat myllätä meren pohjassa sekoittaen pohjasedimenttiä ja nopeuttaen sen biologista hajoamista. Tämä vähensi hiilen hautautumista ja nosti ilmakehän hiilidioksidipitoisuutta jonkin verran, mikä teki ilmastosta nykyisen kaltaisen. Lämmennyt ilmasto saattoi hieman vähentää ilmakehän ja varsinkin merien pintaosien happipitoisuutta, mutta tällä ei ollut enää monisoluisten eliöiden kannalta ratkaisevaa merkitystä, koska ne olivat jo oppineet selviytymään monenlaisissa oloissa yksisoluisiin eliöihin nähden monessa mielessä ylivoimaisten kykyjensä turvin. Näin oli päädytty tylsästä, tasaisen lämpimästä ja yksisoluisten eliöiden asuttamasta planeetasta kylmien välivaiheiden kautta nykyisenkaltaiseen hapekkaaseen maailmaan, jota hallitsevat monisoluisen eliöt. Prosessi oli monivaiheinen, mutta sen tahdin määräsi yksinkertainen fysikaalinen ilmiö eli keskustähden kirkastuminen.

Monisoluinen elämä siis näytti syntyneen heti kun tietty välttämätön ehto (riittävä happipitoisuus) täyttyi, eli välttämätön ehto näytti olleen myös riittävä. Riittävä happipitoisuus puolestaan syntyi kun happea tuottavat levät olivat eläneet riittävän pitkään ja riittävän runsaina. Levien kasvua puolestaan oli edesauttanut napa-alueiden ilmaston kylmeneminen joka hieman paradoksaalisesti oli johtunut Auringon luonnollisesta kirkastumisesta. Jään ja lumen valkoisuus vahvisti kylmenemistä siten että neoproterotsooisena aikana 700-900 miljoonaa vuotta sitten, riippuen mannerten kulloisestakin asennosta, jäätiköt saattoivat ajoittain ulottua jopa kääntöpiireille asti tai vieläkin alemmas.

Kun keskustähti kirkastuu, hiilidioksidin ja silikaattikivien termostaatti siis huolehtii siitä että kasvihuoneilmiö vähenee ja napa-alueet viilenevät. Toisaalta sitten kun kirkastuminen on edennyt riittävän pitkälle, hiilidioksidin aiheuttama kasvihuoneilmiö menettää merkityksensä ja planeetta napa-alueineen alkaa lämmetä. Olemme juuri nyt lähellä taitekohtaa jossa kokonaisvaltainen lämpeneminen on alkamassa (tässä "lähellä" tarkoittaa vähemmän kuin suunnilleen sadan miljoonan vuoden päässä suuntaan tai toiseen). Ilman jonkin teknologisen lajin puuttumista asiaan, ehkä noin puolen miljardin vuoden kuluttua maapallo on lämmennyt niin paljon että monisoluisilla eläimillä alkaa olla tukalaa.

Liian kuumassa on tukalaa. Piirros: Esko, 'Eksa', Heikkilä

Ihminen siis ilmestyi maapallolle noin 650 miljoonan vuoden kuluttua monisoluisen elämän syntymisestä, ja monisoluisilla eläimillä on vielä suunnilleen toinen mokoma aikaa ennen kuin kirkastuva aurinko tekee planeetasta niille liian kuuman. Teknologinen laji – ihminen - ei siis syntynyt viime hetkellä, vaan suunnilleen puolessa välissä sopivaa aikaikkunaa eli monisoluisten eläinten aikaa, joka puolestaan näytti alkaneen auringon kirkastumisen tahdittamana. Tämä on olennainen tieto arvioitaessa älyn kehityksen todennäköisyyttä. Jos asteroidi ei olisi tuhonnut dinosauruksia ja raivannut tilaa nisäkkäille, kädelliset ja ihminen eivät olisi syntyneet, mutta luonnolla olisi ollut aikaa yrittää muita reittejä noin kymmenkertaisesti se aika joka kului nisäkkäiden noususta (65 miljoonaa vuotta sitten) ihmisen syntyyn. On esitetty että Intian törmääminen Aasian mantereeseen ja tehokkaasti yhteyttävien piilevien synty monimutkaisten mekanismien kautta aiheuttivat nykyiset jääkaudet ja saivat ehkä ihmisen esi-isät siirtymään harvenneista metsistä savannille kävelemään. Mutta taaskin, jääkaudet eivät ole kovin harvinaisia ja niitä oli ollut aiemminkin, ja aikaa olisi luultavasti ollut jäljellä vielä paljon muiden reittien kokeilemiseen.

Mitä lähemmäs nykyaikaa tulemme, sitä lyhyemmistä ajanjaksoista puhumme. Ihmislaji syntyi noin 100,000 vuotta sitten ja tyypillisen nisäkäslajin elinaika joitakin miljoonia vuosia. Maanviljelyskulttuuri syntyi noin 10,000 vuotta sitten eli 90,000 vuotta lajin syntymisen jälkeen. Kulttuuri ja yhteiskunta syntyivät siis paljon nopeammin kuin kädellislajin tyypillinen jäljellä oleva elinaika. Avaruustekniikka syntyi 10,000 vuotta kulttuurin synnyn jälkeen, mikä on lyhyt aika verrattuna verrattuna mihin tahansa muuhun. Kaikilla tai ainakin useimmilla tasoilla näyttäisi tulevan sama tulos: viimeinen hetki ei ollut lähellä lyödä, aikaa löytää muita ratkaisuja olisi ollut moninkertaisesti siihen nähden mitä luonto tarvitsi tuottaakseen ihmisen kulttuureineen. Mutta näitä aikalisiä ei tarvittu, koska kulttuuri-ihmiseen johtanut kehityspolku oli jo toteutunut.

Jos tämä tuntuu turhan ihmiskeskeiseltä (evoluutiohan etenee periaatteessa ”sokeasti” ilman päämäärää), on syytä huomauttaa että samassa mielessä kuin Suomen turvallisuuspolitiikan haasteet ehkä ovat Venäjä, Venäjä ja Venäjä, nykyään biosfäärin tärkeimmät turvallisuuspoliittiset kysymykset liittyvät ihmiseen, ihmiseen ja ihmiseen. Ihminen on tärkeä koko planeetalle, ei vain ihmiselle itselleen. Kulttuuri-ihmisen synty oli valtava, äkillinen ja raju tapahtuma, johon sisältyy elämän kehityksen kannalta suunnattomia uhkia ja mahdollisuuksia. Kuka olisi vain miljoona vuotta sitten voinut aavistaa, että savannin ruohosta nousee suuri metsästäjä, jonka pojat haluavat kokea kaiken, oppia kaiken, rakentaa kaiken ja tallentaa kaiken jälkipolville. Eivätkä vain halua, vaan tekevät myös, flight-proven, TRL-tasolla seitsemän, im siebenten Himmel der Technologie. Vain ihminen voi poistaa Damokleen miekat eli tappaja-asteroidit elämän yltä. Ihminen saattaa rötöstellä, mutta positiivisten mahdollisuuksiensa takia saa myös paljon anteeksi. Dramaattisuudessaan kulttuuri-ihmisen synty on verrattavissa vain itse elämän syntyyn ja ehkä edellä mainittuun kambrikauden räjähdykseen eli monisoluisten eliöiden nousuun.

Tämän valossa näyttäisi mahdolliselta, että polku bakteerista kulttuuriolentoon saattaa olla monipolvisuudestaan huolimatta melko todennäköinen. Sen sijaan elämän synty itsessään on edelleen arvoitus. Yksinkertaisinkin esitumallinen eliö on niin monimutkainen, että sen syntyminen molekyylien sattumanvaraisen kombinaation kautta ilman kehityspolkua on äärettömän epätodennäköistä. Meillä on vain epäsuoria viitteitä siitä millaiset yksinkertaisemmat kantamuodot olivat saattaneet edeltää tuntemiamme yksinkertaisimpia esitumallisia soluja. Tämä oletettu kantamuotojen ketju on kaiketi kokonaan hävinnyt, todennäköisesti siksi että kantamuodot ovat kerta kaikkiaan hävinneet kilpailun nykyisille arkkieliöille ja bakteereille jotka ovat tunkeutuneet biosfäärin joka kolkkaan. Hävinnyt kantamuotojen ketju saattaa olla hyvin pitkä, sillä monimutkaisuudella mitattuna esitumallinen bakteeri on paljon lähempänä ihmistä kuin elotonta molekyyliä.

Kuvitus: Esko Heikkilä

Elämää oli maapallolla pian sen jälkeen kun planeetta oli syntynyt. Eikö tämän pitäisi merkitä sitä että myös elämän synty, vaikkemme sen yksityiskohtia tunnekaan, oli myös "helppo" tapahtuma? Ei välttämättä, sillä nuori planeetta kävi läpi kaikenlaisia kehitysvaiheita heti syntymänsä jälkeen. Koska emme tunne yksityiskohtia, emme tiedä miten tärkeitä nämä vaiheet olivat elämän synnylle. Jos ne olivat tärkeitä, elämä ei ehkä olisi voinut enää syntyä vanhemmalle planeetalle. Tilanne on loogisesti erilainen kuin esimerkiksi kambrikauden räjähdyksen yhteydessä, sillä siinä kriittinen parametri eli happipitoisuus säilyi korkeana jatkossakin.

Luotainten avulla voimme löytää muualla aurinkokunnassa lymyilevää elämää.
Piirros: Esko Heikkilä

Saara Reimanin kirjoitus loppuu toteamukseen jonka mukaan empiirisellä tutkimuksella on Fermin paradoksin selvittämisessä olennainen osa. Olen samaa mieltä. Erityisesti voimme päästä eteenpäin etsimällä elämää, vaikka kuinka yksinkertaistakin, luotainten avulla aurinkokunnasta sekä spektroskooppisilla ja muilla tähtitieteellisillä menetelmillä eksoplaneetoilta (luotainten lähettämistä muihin aurinkokuntiin saadaan vielä odottaa tovi). Vaikka miten yksinkertaisenkin elämän löytyminen osoittaisi että elämä ei ole tavattoman harvinaista, ja edellisen päättelyketjun nojalla silloin älykästäkin elämää voisi odottaa esiintyvän muuallakin. Jos taas elämää ei näillä menetelmillä löydy, eksoplaneettoja tutkimalla ehkä oivallamme selkeitä syitä niiden elottomuuteen, joita tulevaisuuden teoreetikot kenties kykenevät ekstrapoloimaan eteenpäin.

Pekka Janhunen 

Sarjatuotantoa

Sähköpurjekolumni 8.9.2008

Sarjatuotanto on teollisuuden perusta. Avaruuslaitteiden rakentaminen on tästä poikkeus, koska kutakin mallia tarvitsee tuottaa yleensä vain yksi tai muutama kappale. Sähköpurjeliekojen valmistuksen on kuitenkin oltava automatisoitua sarjatuotantoa, koska lieat ovat hyvin pitkiä ja lankaliitoksia tarvitaan miljoonia. Täysikokoinen sähköpurjealus sisältää tuhansia kilometrejä liekaa ja myös kymmeniä tai jopa satoja liekarullia. Rulliakin olisi siis hyvä tuottaa liukuhihnalta. Myös monet muut sähköpurjeen toiminnot voidaan hoitaa joukolla pieniä, keskenään samanlaisia osia. Toisin kuin satelliittien rakentamisessa yleensä, hyppäys yhden sähköpurjealuksen rakentamisesta suuremman määrän tekemiseen ei siis ole järin suuri, koska uutta tuotantotapaa ei tarvitse omaksua.  Sähköpurjealusten valmistus voisi tulevaisuudessa muistuttaa enemmän kännykkäteollisuutta kuin perinteistä avaruusteollisuutta.

Tulevaisuuden sähköpurjeet rakennettaneen sarjatuotantona, kuten tämä vuoden 1968 Ford Falcon. Kuva: CC-BY-ND-NC Flickr/Elgin Country Archives

Sähköpurjeliekojen tekemisessä päästiin kesällä tuottamaan lankaliitoksia tavalla joka soveltuu sarjatuotantoon. Tähän asti lankojen liittäminen sisälsi erään aikaavievän työvaiheen, josta on nyt siis päästy eroon. Tie ensimmäisen tuotantolinjan rakentamiseen näyttää nyt selvältä. Tämä on tärkeää, sillä käsin emme pysty tekemään tarpeeksi liekaa puolaus- ja muita testejä varten.

Aivan viime aikoina on alettu kiinnittää huomiota erääseen sähköpurjeen muunnelmaan. Uudessa tyypissä on vielä joitakin avoimia kysymyksiä ja se on teknisesti monimutkaisempi, mutta se voisi teoriassa tuottaa perusmallia paremman suorituskyvyn. Tästä toivottavasti lisää seuraavissa kolumneissa.

Pekka Janhunen

Kohti TRL 7:ää

ESAn delegaatteja varten tehty sähköpurje-esite.

Liekojen valmistus on edennyt Helsingin yliopiston Elektroniikan tutkimuslaboratoriossa. Nyt valmiina on käsin tehty 30 cm pätkä ja jatkuvaan tuotantoon kykenevän liekatehtaan suunnitelmat ovat melko pitkällä.  Työ ei ole missään mielessä helppoa, mutta vaikeita periaatteellisia ongelmia ei ole ilmaantunut. EU ei sitten lopulta rahoittanut meitä vaan jäimme roikkumaan varasijalle, mutta saksalaisten ja ruotsalaisten partnereidemme kanssa on nyt joka tapauksessa sovittu liekarullien ja liekojen suunta-anturien kehittämisen aloittamisesta.
Sähköpurjeesta pidettiin ensimmäinen kansainvälinen kokous ESA/ESTEC:ssä 19. toukokuuta. ESA:n edustajat laativat päätelmän jossa todetaan että sähköpurjepropulsiolle ei ole ylivoimaisia tieteellisiä tai teknisiä esteitä eli show-stoppereita, että tekniikka olisi hyödyllinen avaruuslentojen kannalta ja että Ilmatieteen laitoksen johtamaa kansainvälistä konsortiota kehotetaan viemään testilennon valmisteluja eteenpäin (http://www.electric-sailing.fi/ESTEC2008). Euroopan avaruusjärjestö pitää siis sähköpurjetta toteuttamiskelpoisena.

TRL asteikko. Lähde: Wikipedia

Avaruusjärjestöt kuvaavat tekniikoiden kypsyystasoa yhdeksänportaisella Technical Readiness Level -asteikolla. Toimintaperiaatteesta (TRL 1) tehdään karkea suunnitelma (2), jonka toimivuus osoitetaan laskelmin ja kokein (3).  Rakennetaan prototyyppi (4) ja avaruuskelpoisista osista lopullista muistuttava malli (5). Malli testataan avaruutta ja kantorakettilaukaisua matkivissa oloissa (6) ja avaruudessa (7). Lopullinen laite rakennetaan laukaisuvalmiiksi (8) ja lennätetään (9).  Kaikkia tasoja ei tarvitse orjallisesti käydä läpi, työt voidaan aina luokitella jollekin TRL-tasolle kuuluvaksi.









Pääosa sähköpurjetyöstä tehdään tällä hetkellä tasolla TRL 4. Tärkein tavoite tällä tasolla on liean automaattisen valmistuksen ja luotettavan kelauksen osoittaminen.  Kun nämä on saavutettu, polku tasolle TRL 7 eli Maan kiertoradalla tapahtuvaan testilentoon (noin 8 kappaletta yhden kilometrin liekoja) on suoraviivainen. Testilennon kokonaisbudjetti on noin 5-6 miljoonaa jos mukaan lasketaan kaikki kulut eli myös satelliitin rungon, laukaisun ja operointipalvelun ostaminen vapailta markkinoilta. Täysikokoista sähköpurjetta varten liekarullia tarvitaan 50-100, kussakin noin 20 km pituinen lieka, mutta muuten laitteistot eivät ole kovin erilaisia.

Pekka Janhunen

Miten kiertoradalle nousemista voisi helpottaa?

 Kiertoradalle nouseminen on kaiken avaruustoiminnan perusta. Kuten tunnettua, nykyään temppu tehdään kertakäyttöisillä raketeilla, minkä takia laukaisukustannus LEO-radalle on noin 5000 eur/kg. Myös avaruussukkulan ensimmäinen vaihe on kertakäyttöinen päämoottoreita lukuunottamatta.

Ei-kertakäyttöisiä kantoraketteja ja avaruuslentokoneita on kaavailtu jo 1960-luvulta alkaen. Usein on asetettu tavoitteeksi lentoliikenteen kaltainen toiminta ja 10-100 -kertainen hinnanalennus. Vieläkään uudelleenkäytettävä kantoraketti ei kuitenkaan sisälly avaruusjärjestöjen lähivuosikymmenen tavoitteisiin. Miten tämä on mahdollista, vaikka tekniikka muuten on kehittynyt valtavasti 40 vuodessa?

Kiertoradalle nousu on aina ollut vain nipin napin mahdollista. Vain kemiallinen raketti pystyy tuottamaan suuren lyhytaikaisen työntövoiman joka jaksaa nostaa raketin taivaalle. Jotta pakosuihkun nopeus olisi mahdollisimman suuri, reaktiotuotteen molekyylipainon pitäisi olla mahdollisimman pieni, mikä rajaa mahdolliset vaihtoehdot muutamaan kevyimpään alkuaineeseen. Harvinaisia tai myrkyllisiä aineita on turha miettiä sen enempää, joten tutut hiilivedyt ja nestemäinen vety poltettuna nestehapen kanssa ovat päävaihtoehdot. Uusia kemiallisia polttoaineita ei ole keksitty sitten avaruusajan alkuaikojen. Nestevedyn pakosuihkun nopeus on kaikkein suurin, mutta aineen pieni tiheys lisää polttoainesäiliön massaa suhteessa sisältöön. Nestevedynkin pakosuihkun nopeus on kuitenkin vain vajaa puolet kiertoradalle pääsyyn tarvittavasta nopeudesta, kun ilmanvastus ja painovoimahäviöt (=se että raketti joutuu kannattelemaan itseään nousun alussa) otetaan huomioon. Tästä syystä raketin lähtöpainosta aina ylivoimaisesti suurin osa on polttoainetta. Raketin tyhjäpainostakin varsinaisen kiertoradalle nousevan hyötykuorman osuus on melko pieni. Melkein kaikissa kantoraketeissa käytetään monivaiheisuutta vähentämään kiertoradalle nousevaa turhaa massaa. Ensimmäinen vaihe tarvitsee eniten työntövoimaa, mitä on vaikea saada kevyestä nestevedystä tekemättä putkista ja pumpuista isoja ja painavia. Tästä syystä ensimmäiset vaiheet käyttävät hiilivetypolttoainetta vaikka ylemmät vaiheet polttaisivatkin nestevetyä. Ylemmissä vaiheissa tärkeintä ei ole tilan- vaan painonsäästö. Ensimmäisessä vaiheessa tärkeintä taas on suuri työntövoima niin että raketti pääsee mahdollisimman nopeasti matkaan ja välttyy turhan pitkään kannattelemasta itseään Maan painovoimaa vastaan.

Vaikka näin onkin, eikö kustannuksia saataisi alenemaan yksinkertaisesti tekemällä kantoraketista uudelleenkäytettävä? Ongelma on siinä että uudelleenkäytettävyys lisää aina kantoraketin massaa (siivet, laskutelineet, laskuvarjot tms.) ja siten vähentää jo ennestään pientä hyötykuormaa. Toinen vaikea ongelma on monivaiheisuuden yhdistäminen uudelleenkäytettävyyteen. Kertakäyttöinen raketti on helppo tehdä monivaiheiseksi pinoamalla sikarinmuotoiset vaiheet päällekkäin (ylimmän kärki on muotoiltu aerodynaamiseksi), mutta sikarinmuotoista pötkylää on vaikea palauttaa takaisin Maahan rikkomatta sitä. Tiputtaminen laskuvarjolla mereen aiheuttaa korroosiota rakettimoottoreissa, tiputtaminen laskuvarjolla maa-alueelle taas vaatii laajaa suoja-aluetta, lisää rikkimenon vaaraa koska maastoa on monenlaista ja tekee kotiinkuljetuksesta hankalan.

Monien mielestä ainoa todella taloudellinen ja järkevä tapa on palauttaa rakettivaiheet lentokonemaisesti kiitoradalle. (Onneksi tämä hoituu nykyään autopilotilla: jotain hyötyä mikroelektroniikan kehityksestä sentään on!) Tämä vaatii siipiä ja aerodynaamista nokkaa, joten lentokonemaiset rakettivaiheet on sijoitettava seläkkäin, vierekkäin tai pienempi isomman sisään. Sijoittaminen seläkkäin tai vierekkäin on kaiketi mahdollista, mutta vaiheiden erottaminen toisistaan hallitusti ilmakehässä kun molemmat lentävät moninkertaisella äänennopeudella on aerodynaamisesti vaikeasti suunniteltava ja helposti katastrofaalisesti pieleen menevä toimenpide. Pienemmän vaiheen sijoittaminen isomman sisään on yksi vaihtoehto, mutta se lisää rakenteen massaa, varsinkin kun pienempi (ylempi) vaihe käyttäisi mieluusti tilaa vievää nestevetyä. Jos molemmat vaiheet joutuvat tästä syystä käyttämään tiheämpää hiilivetypolttoainetta, kaksi vaihetta ei oikein tahdo riittää järkevänkokoisen hyötykuorman nostamiseen kiertoradalle. Suo siellä, vetelä täällä.

Usein ajatellaan että kaksivaiheisen uudelleenkäytettävän systeemin ongelmat ovat niin suuria että siivekäs yksivaiheinen vaihtoehto on parempi (ns. single stage to orbit, SSTO): pystysuora tai vaakasuora lähtö, nousu kiertoradalle, hyötykuorman irroitus, paluu Maahan ja laskeutuminen kiertoradalle. Jotta homma onnistuisi ilman kaksivaiheisuuden tuomaa huomattavaa etua (siis ilman että turhaa kuormaa heitetään matkan varrella pois), aluksen pitää olla erittäin kevytrakenteinen jotta mukaan mahtuisi edes pieni hyötykuorma. NASA:n X-33 -projektissa 1990-luvulla yritettiin toteuttaa uudelleenkäytettävä SSTO. Kuten muistetaan, projekti ei onnistunut: hyötykuorma meni lähes nollille jolloin aluksen suunnittelun jatkamisessa ei ollut enää järkeä.

NASA:n X-33 Lähde: Wikipedia

Pienehkökin parannus edes jossain osa-alueessa saattaisi tehdä uudelleenkäytettävän SSTO:n mahdolliseksi järkevänkokoisella hyötykuormalla. Tämän seurauksena kiertoradalle nousu halpenisi kertoimella kymmenen tai sata, mistä voisi aiheutua suunnaton avaruusbuumi kun mm. voimayhtiöt kilvan ryntäisivät rakentamaan puhdasta ja halpaa energiaa tuottavia aurinkovoimasatelliitteja. Mitä sitten voidaan parantaa? Nestevedyn tiheyttä voidaan hieman kasvattaa jäähdyttämällä sitä sohjoksi. Kiinteään vetyyn voidaan yrittää ympätä vapaita atomeja (vetyä, booria, hiiltä tai metalleja) energiatiheyden kasvattamiseksi. Myös nestemäistä otsonia on yritetty käyttää hapettimena, sen energiasisältö poltettaessa kun on hieman suurempi kuin tavallisen hapen. Niinsanottu ilmakärkimoottori (aerospike engine) voisi pienentää rakettimoottorin häviöitä lennon alkuvaiheessa tiheässä ilmakehässä. Venäläiset ovat kehittäneet prototyyppiasteelle moottorin joka käyttää lennon alussa hiilivetypolttoainetta ja loppuvaiheessa nestevetyä.

X-33:n ilmakärkimoottori testipenkissä. Lähde: Wikipedia

Kemiallisen raketin lisäksi muitakin keinoja nousta kiertoradalle periaatteessa on. Fissiokäyttöinen nestevetyä kuumentava raketti on teknisesti mahdollinen rakentaa. Vedyn pienen molekyylipainon takia ydinraketin vetysuihkun nopeus on noin kaksinkertainen kemiallisen raketin pakosuihkuun nähden, joten raketti jaksaa melko helposti nousta kiertoradalle yksivaiheisena. Sen työntövoima riittää nipin napin pystysuoraan nousuun Maasta. Mutta ydinraketin vetysuihku on lievästi radioaktiivinen, ja jos esim. laskeutuminen menee pieleen, vastaa se pientä ydinonnettomuutta. Ydinkäyttöinen sukkula ei siitä syystä näytä houkuttelevalta tai todennäköiseltä, vaikka se periaatteessa muuten voisikin ratkaista kiertoradalle nousun ongelman.

Jos Maata kiertäisi pitkä, kärrynpyöränä pyörivä lieka, sen alapää liikkuisi aina Maata kohti osoittaessaan Maahan nähden hitaammin kuin kiertoratanopeus, esim. 1.5 km/s hitaammin. Yksivaiheinen alus voisi nousta Maasta ja tartuttaa hyötykuormansa liean kärkeen. Aluksen rata olisi vähän kuin mannertenvälisen ohjuksen. Nopeusvaatimuksen pienentyminen tekee aluksen massabudjetin suunnitelun aitoa kiertorata-alusta paljon helpommaksi. Ajoituksen olisi kuitenkin oltava prikulleen kohdallaan, koska lieka pyörii ja osoittaa Maata kohti vain tietyllä hetkellä. Lisäksi lieka joutuisi lentämään korkeudella jossa on paljon avaruusromua. Jos lieka katkeaisi, sen ylempi pää sinkoutuisi elliptiselle radalle ja muodostaisi sinne varsin ikävän avaruusromun joka leikkaisi tielle osuvat satelliitit kahtia kuin viikate. Edelleen pyörivä lieka pilkkoutuisi törmäyksissä lyhyempiin osiin jotka uhkaisivat yhä uusia satelliitteja. Pitkien, vahvojen liekojen sijoittaminen lähiavaruuteen ei olisi välttämättä viisas teko. Sama ongelma koskee myös avaruushissiä. Avaruushissi tosin kuulunee muistakin syistä vielä pitkään tieteiskuvitelmien osastoon.

Sähköpurjekolumneissa on esitetty miten asteroideilta voitaisiin rahdata sähköpurjealuksilla vettä Maan kiertoradalle ja tehdä siitä siellä rakettipolttoainetta (vetyä ja happea), joko tehtaassa kylmätankkeihin tai sitten aurinkosähköllä itse elektrolyysiraketissa siten että vety ja happi poltetaan saman tien tai säilötään väliaikaisesti kaasusäiliöihin ja poltetaan isommissa erissä. Tämä voisi halventaa hyötykuormien nostamista LEO-radalta ylemmäs ja takaisin. Mutta itse kiertoradalle nousun ongelmaan siitä ei kaiketi olisi apua?

Jos LEO-radalla on halvalla saatavissa asteroidiperäistä rakettipolttoainetta, erityinen yhteysraketti voisi tankata sitä, jarruttaa, napata Maasta nostetun ballistisen hyötykuorman ja kiihdyttää uudestaan LEO-radalle hyötykuorma mukanaan. Toisin sanoen yhteysalus tekisi saman tempun mitä edellä selostettu pyörivä lieka mutta ilman liekaan liittyviä vaaroja. Tämä on tietääkseni uusi ajatus eli Avaruusluotain (Suomen avaruustutkimusseuran jäsenlehti) julkaisee sen ensimmäisenä. Jotta hyötykuorma ja yhteysalus kohtaisivat, ajoituksen olisi oltava kohdallaan, mutta sitä vartenhan on olemassa navigointisatelliitit. Nykyään sotilaat pystyvät osumaan ohjuksella muutaman metrin kokoiseen satelliittiin, ei tämän pitäisi olla kovin paljon sitä vaikeampaa. Ajatus voi kuullostaa ensin turhan suoraviivaiselta ja mielikuvituksettomalta, mutta tarkemmin katsottuna se voisi yhtä kaikki ratkaista kiertoradalle nousun ongelman lievittämällä Maasta nousevan aluksen nopeusvaatimusta esimerkiksi 1.5 km/s. Yksivaiheisen Maasta nousevan avaruuslentokoneen lähtöpainosta silloin noin 80% voisi olla polttoainetta, 10% avaruuslentokoneen omaa massaa ja 10% hyötykuormaa. Esimerkiksi lähtöpaino normaalin liikennekoneen luokkaa 200 tonnia, omapaino 20 tonnia ja hyötykuorma samoin 20 tonnia. 50 kertaa nykyistä halvemmalla, hintaan 100 eur/kg laukaisuyhtiö nettoaisi jokaisesta lennosta miljoonan, ja toisella miljoonalla se ostaisi yhteysrakettipalvelun asteroidikaivosfirmalta. Jos lennettäisiin kerran päivässä, avaruuslentokone saisi maksaa miljardin ja silti maksaisi itsensä takaisin kolmessa vuodessa. Avaruusturisti pulittaisi lennosta kiertoradalle 30000 euroa.

Pekka Janhunen