Sähköpurjeen sovelluksia, osa 7: Merkuriukseen 9 kuukaudessa ja takaisin

Merkurius Messengerin kuvaamana 6.10.2008.
Lähde: Wikimedia

Perussähköpurje tuottaa 1 N työntövoiman 1 AU:n etäisyydellä, ja voima skaalautuu kääntäen verrannollisena etäisyyteen Auringosta. Perussähköpurjeen massa on 100-200 kg, joten se tuottaa 1 mm/s² kiihtyvyyden tonnin painoiselle kokonaismassalle, eli sähköpurjeen lisäksi 800-900 kg hyötykuormalle. Kiihtyvyys 1 mm/s² riittää matkaamiseen lähes mihin tahansa aurinkokunnan kohteeseen kohtuullisessa ajassa, esimerkiksi Jupiter 1.6, Saturnus 2.8, Uranus 5.3 ja Neptunus 8 vuodessa. Jättiläisplaneettojen tapauksessa alus heitetään sähköpurjeella ulos sisäaurinkokunnasta ja jätetään planeetan kiertoradalle pienellä kemiallisella jarrutuspoltolla, joka tehdään mahdollisimman lähellä planeettaa. Taustalla on ratadynamiikan Oberthin efekti, joka tehostaa lyhyen rakettipolton vaikutusta, jos poltto tehdään lähellä painavaa taivaankappaletta. Jos jättiläisplaneetan kiertoradalle pitäisi päästä pelkällä sähköpurjeella ilman kemiallista jarrutuspolttoa, matka-aika olisi huomattavasti pitempi. Samat lait koskevat muitakin heikon voiman propulsiomenetelmiä, kuten ionimoottoreita ja valopurjeita.

Venukseen pääseminen on helppoa (niin helppoa että sähköpurjeesta ei ole juuri hyötyä), mutta Merkurius on paljon vaikeampi. Merkurius on syvällä Auringon gravitaatiokuopassa, ja planeetta on niin kevyt että Oberthin efektistä ei ole juuri apua. ESA:n rakenteilla oleva Merkurius-luotain BepiColombo käyttää kemiallisen raketin ja ionimoottorin yhdistelmää, luotaimen laukaisumassa on suuri ja sen matka-aika on 6 vuotta. Matkallaan luotain kerää gravitaatiopotkua Kuulta, Maalta, Venukselta ja Merkuriukselta, jälkimmäisiltä useaan otteeseen, joten laukaisupäivää ei voi muuttaa ilman että koko lentosuunnitelma ja matka-aika muuttuvat. BepiColombo on tavallaan nykytekniikan lippulaiva: suuri, monimutkainen ja kallis avaruusalus, joka yhdistelee monia eri tekniikoita. Luotain laukaistaan 2014 ja se on perillä 2020.

BepiColombon "Mercury Magnetospheric Orbiter" (MMO)
Suuressa Avaruussimulaatiossa (Large Space Simulator, LSS) ESTECissä.

Sähköpurjeella Merkuriukseen voisi päästä halvalla, nopeasti, ja ilman eri maksua voisi tulla vielä takaisinkin. Matka-aika Merkuriukseen sähköpurjetta käyttäen olisi noin 9 kuukautta. (Arvio on laskettu olettamalla Merkuriuksen rata ympyräksi, joten se on melko karkea.) Lento olisi halpa, koska Merkuriukseen päätyvän hyötykuorman (800-900 kg) lisäksi tarvitaan vain itse sähköpurjeen massa (100-200 kg). Paketti riittää laukaista Maasta pakoradalle, ja koska mikä tahansa pakorata kelpaa, myös piggyback-vaihtoehdot ovat mahdollisia. Koska sähköpurjeella on ääretön ominaisimpulssi, delta-v -budjetista ei tarvitse huolestua.

Sähköpurje kuluttaa 1 AU:n etäisyydellä 700 W tehon. Merkuriuksen etäisyydellä aurinkotuulen tiheys on kymmenkertainen, joten tehokulutus on siellä 7 kW, kun vaaditaan työntövoiman 1/r -skaalautuminen johon 9 kk matka-aika perustuu. Nykyisten aurinkopaneelien ominaisteho on 100 W/kg, joten 7 kW paneelisto painaa 70 kg. Tämä massa-arvio pätee 1 AU:ssa, ja oletetaan tässä rohkeasti että se pätee Merkuriuksessakin: siellä aurinko paistaa kymmenkertaisella tehotiheydellä, mutta toisaalta aurinkopaneelien hyötysuhde huononee kuumassa. Aurinkopaneelien tuottoa lähellä aurinkoa voidaan optimoida kääntämällä ne sopivaan kulmaan. Hitaasti pyörivä sähköpurjetakila on jo valmiiksi jossakin ratadynamiikan määräämässä kulmassa aurinkoon nähden.

BepiColombon orbitterin Proto-Flight Model menossa Phenix tyhjiötestikammioon tammikuussa 2013. Kuva: ESA

Nykyisessä sähköpurjeen EU-projektissa insinöörityön tavoitteena on 0.9-4 AU:n etäisyysväli. Merkurius-missiota varten sähköpurje lentoratoineen pitäisi suunnitella uudelleen. Saattaa olla että erilaisten kompromissien takia matka-aika tulisi olemaan jonkin verran pitempi kuin 9 kk. Muutama kuukausi sinne tai tänne matka-ajassa ei kuitenkaan ole olennaista mission toteutettavuuden ja hyödyn kannalta.

Myös paluu Merkuriuksesta olisi periaatteessa helppoa: purje vain käännetään aurinkoon nähden vastakkaiseen kulmaan kuin menomatkalla. Kotiin tosin kannattaa palata vain jos mukana on Merkurius-näyte. Näytteen noutaminen Merkuriuksen pinnalta on periaatteessa suoraviivaista, mutta vaatii massaa. Koska planeetalla ei ole ilmakehää, sekä laskeutumisessa että nousussa pinnalta tarvitaan kemiallista rakettia. Delta-v matalalta kiertoradalta planeetan pinnalle on 3 km/s yhteen suuntaan, eli sekä laskussa että nousussa noin 2/3 painosta pitää olla polttoainetta. Jos näytteenhakulennon massa ylittää yhden sähköpurjeen kantokyvyn, matkaan voidaan lähettää kaksi sähköpurjealusta, esimerkiksi niin että toinen vie perille laskeutujan ja toinen hakee näytekapselin pois. Voisi myös olla mahdollista ja tieteellisesti perusteltua hakea näyte vain Merkuriuksen harvasta eksosfääristä eikä pinnalta.

BepiColombo Merkuriuksen radalla. Piirros: ESA

Näytteenhaku Merkuriukselta (ainakin planeetan pinnalta) olisi tieteellisesti iso juttu, koska maanpäällisessä laboratoriossa näyte voitaisiin tutkia perin pohjin. Aihetta ei ole vielä kovin paljon pohdittu. Nopea kirjallisuushaku tuotti yhden artikkelin vuodelta 2006, jossa oli selvitetty näytteenhakua Merkuriuksesta 275-metrisellä valopurjeella 3+1 vuodessa.

Tällä hetkellä Merkurius ei ole sähköpurjetiimin prioriteettilistan kärjessä. Jos kiinnostus planeettaa kohtaan kasvaa, pystymme reagoimaan tilanteeseen.

Pekka Janhunen

Esite

Sähköpurjeesta tehtiin pieni esite, jonka pystyy tulostamaan A4:lle ja taittamaan keskeltä pieneksi nelisivuiseksi infopläjäykseksi. Näistä saa aika hyvän kuvan siitä, mistä projektissa on kysymys: 

Kokoustamista ja Coriolisvoimia

Sähköpurjekolumni 9.5.2011

Helmikuussa meillä oli sähköpurjetta rakentavan EU-hankkeen kokous Tartossa. Tartossa päätettiin valita jatkuvasti jännitettyihin apuliekoihin perustuva rakenne. Verrattuna aiempaan suunnitelmaan, jossa apulieat olivat keskipakoisvoiman vaikutuksesta ulospäin kaarella, jännitettyjen apuliekojen malli on kevyempi. Se tuottaa myös vähemmän liekojen värähtelyjä siinä tapauksessa että päälieka jostain syystä katkeaa ja sen päät joudutaan irroittamaan. Vaikka pääliean katkeamisen todennäköisyys mikrometeoroidien takia onkin ennusteiden mukaan pieni (ja sitä voidaan tarvittaessa pienentää mielivaltaisen paljon lisää rakentamalla lieat useammasta kuin neljästä langasta), pyrimme silti siihen että pääliean katkeaminen ei aiheuttaisi mission menetystä.

Tarton kokouksen miehitys.

Tartossa päätettiin myös että liekojen päihin tulevat etäyksiköt suunnitellaan termisesti toimimaan etäisyysvälillä 0.9-4 AU auringosta. Tämä mahdollistaa itse asiassa lähes kaikki tärkeät sähköpurjesovellukset paitsi Merkuriuksen. Tietysti myös Venus jää pois, mutta Venus on niin helposti saavutettavissa raketeilla että sähköpurjeesta ei olisi juuri hyötyä muutenkaan. Merkuriukseen menemiseksi etäyksiköt pitää suunnitella uudestaan kuumia olosuhteita varten.

Huhtikuussa pidettiin projektikokous Bremenissä Saksassa. Bremenin kokoukseen aiheena oli joidenkin vielä avoinna olleiden etäyksikön teknisten vaatimusten kiinnittäminen, jolloin etäyksikön varsinainen suunnittelu pääsee alkamaan. Itse asiassa ryhmät olivat jo alkaneet suunnitella monia etäyksikön alijärjestelmiä. Kun suunnitelmat oli käyty läpi, kokonaismassa osoittautui olevan alle puoli kilogrammaa, mikä on yksi teknisistä tavoitteista.

Sähköpurjeella voi tietokonemallin avulla
liikkua oikeassa aurinkotuulessa.

Yksi uusi, joskaan ei täysin odottamaton, ongelma sähköpurjeessa on alkuvuoden aikana huomattu. Se on Petri Toivasen löytämä ratadynamiikan efekti, jossa sähköpurjeen pyörimisnopeus muuttuu hitaasti Coriolis-voiman takia, kun purje kiertää aurinkoa vinossa asennossa. Pyöriminen kiihtyy, jos liikutaan ulospäin auringosta ja hidastuu, jos luovitaan aurinkoa kohti. Olimme varautuneet tämäntapaisten vaikutusten olemassaoloon eli siihen että meillä on oltava keinoja tarvittaessa muuttaa liekojen pyörimisnopeutta. Voimme käyttää pyörimisnopeuden muuttamiseen etäyksiköiden FEEP-moottoreita tai pieniä käännettäviä aurinkopurje-eviä. Periaatteessa on myös mahdollista kumota kyseinen Coriolis-efekti "luonnonmenetelmällä" eli suoraan sähköpurjevoiman avulla käyttäen hyväksi aurinkotuulen suunnan pieniä luonnollisia vaihteluita. Emme kuitenkaan vielä tiedä, miten aurinkotuulen hetkellinen suunta voitaisiin lennon aikana luotettavasti mitata. Ensimmäinen testimissio pitänee rakennetaa niin että luonnonmenetelmää voidaan kokeilla, mutta siitä ei olla riippuvaisia.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 6: Jatkuvaa voimaa vaativat radat

Aurinkoseismologia, aurinkotuulen tarkkailu ja napaluotaimet

Koska sähköpurje tuottaa jatkuvasti työntövoimaa eikä kuluta polttoainetta, sitä voidaan käyttää luotaimen pitämiseen sellaisella radalla joka ei tavallisen ratadynamiikan mukaan ole mahdollinen. Sähköpurje ja aurinkopurje ovat ainoat tunnetut tekniikat joilla tällaiset luotaimet voitaisiin toteuttaa ainakin jos tavoitteena on pitkä toiminta-aika.

Aurinkoseismologia Luotain pannaan kiertämään Aurinkoa ympyräradalla, mutta sen ratataso pidetään sähköpurjeen avulla planeettojen ratatason yläpuolella, jolloin luotaimesta on pysyvä näkymä Auringon pohjoiselle napa-alueelle. Toisin sanoen luotain ei kierräkään Aurinkoa, vaan valittua avaruuden pistettä joka sijaitsee Auringon pyörimisakselin jatkeella kymmenien miljoonien kilometrien päässä tähden pinnasta. Jos lisäksi luotaimen kiertoajaksi valitaan yksi vuosi, luotain pysyy koko ajan kohtalaisen lyhyen ja vakiona pysyvän etäisyyden päässä Maasta, mikä vähentää tiedonsiirtokuluja. Aurinkoseismologeja kiinnostaa tällainen luotain, sillä he tutkivat Auringon pinnan hitaita ja pieniä värähtelyjä. Näistä värähtelyistä voidaan päätellä paljon Auringon sisuksessa möyrivistä virtauksista jotka ovat tärkeitä mm. Auringon dynamon ja magneettisen aktiivisuuden ymmärtämisen ja ennustamisen kannalta. Auringon napa-alueet ovat tässä mielessä vähän tutkittuja, koska useimmat aurinkoluotaimet ovat kiertäneet lähellä planeettojen ratatasoa. Lisäksi usean vuoden yhtäjaksoinen aikasarja napa-alueesta ja sen pinnan edestakaisesta aaltoilusta olisi arvokas.

Auringossa riittää vielä paljon tutkittavaa.
Kuvassa Aurinko röntgenalueella nähtynä. Kuva: SOHO/NASA.

Aurinkotuulen tarkkailu Aurinko-Maa systeemin Lagrangen L1-pisteessä on luotaimia (ACE ja Soho) jotka mittaavat aurinkotuulta ennen kuin se osuu Maan magnetosfääriin ja siten pystyvät ennustamaan magnetosfäärin myrskyisyyttä karkeasti ottaen noin tunnin eteenpäin. Noin tunti kuluu nimittäin siihen kun aurinkotuuli kulkee Lagrangen L1-pisteestä Maahan. Sovelluksia ajatellen olisi hyödyllistä kyetä ennustamaan aurinkotuulen käyttäytymistä vähän pidemmällekin tulevaisuuteen kuin vain yhden tunnin päähän. Toisaalta tarkkailemalla Aurinkoa voidaan päästä paljon pitempiin eli 1-2 vuorokauden ennusteisiin, mutta silloin ennusteen epävarmuus on varsin korkea koska ei ole varmuutta siitä osuuko Auringon pinnalla mahdollisesti havaittu purkaus Maahan vai meneekö se ohitse. Kun ennuste perustuu suoraan aurinkotuulen mittaukseen jossain Maan ja Auringon välisessä pisteessä joka ei ole liian kaukana Maasta, sen luotettavuus on kohtalaisen hyvä.

Sähköpurjetekniikan kannalta aurinkotuulen mittaukseen liittyy kuitenkin eräs ongelma. Nimittäin kun sähköpurje toimii eli kun liekojen jännitteet ovat päällä, mitattavat aurinkotuulen ionit eivät pääse lähellekään luotainta. Vaikka luotaimen runko pidettäisiinkin nollapotentiaalissa ja vain itse lieat olisivat jännitteiset, liekojen ympärille muodostuva potentiaalirakenne ympäröi alusta ja sulkee ionien pääsyn mittalaitteelle. Ongelma voidaan ratkaista usealla tavalla. Esimerkiksi sähköpurjetta voidaan pitää päällä 15 min, sitten kytkeä se pois ja mitata 15 min, jne. Tuloksena olevassa aurinkotuulen mittaussarjassa on silloin 15 min katkoja, mutta se ei liene tässä tapauksessa kovin suuri haitta. Juuri 15 min lyhyemmiksi ei sähköpurjeen toiminta-aikoja kannata tehdä, koska tämänhetkisten arvioiden mukaan tietyistä plasmafysiikan ilmiöistä johtuen menee vähintään muutamia minuutteja ennen kuin sähköpurje saavuttaa täyden työntövoimansa jännitteiden päällekytkemisen jälkeen. Toinen vaihtoehto on asentaa aurinkotuulen mittalaite erilliseen alukseen, joka on mekaanisesti kytketty sähköpurjealukseen noin 1 km pituisella eristävällä liealla. Tällöin mittalaite saadaan riittävän kauas sähköpurjelieoista että liekojen sähkökenttä ei kovin paljon häiritse aurinkotuulimittausta. Kolmas vaihtoehto on käyttää kahta identtistä alusta jotka mittaavat aurinkotuulta vuorotellen. Tällöin mittaus- ja propulsiojaksot voivat olla pitempiä, esimerkiksi vuorokauden mittaisia. Vuorokaudessa luotain ei vielä ajaudu liian kauas pois halutusta pisteestä.

Auringon aktiivisuus vaihtelee 11 vuoden sykleissä.
Kuvassa UV-aurinko peräkkäisinä vuosina SOHO:n kuvaamana.

Napaluotain Sähköpurjeella voidaan kannatella luotainta myös Maan painovoimakenttää vastaan, tosin kovin lähellä Maata ei voida silloin olla. Esimerkiksi luotain voisi sijaita parin Kuun etäisyyden päässä (700,000 km) Maan pyörimisakselin jatkeella. Luotaimesta olisi pysyvä näköyhteys koko napa-alueelle ja sitä voisi käyttää esimerkiksi sää- tai tietoliikennesatelliittina.

Tietoliikenteessä napaluotaimen etuna verrattuna naparadan satelliitteihin olisi mahdollisuus kiinteästi suunnattuun maa-antenniin, koska luotain olisi aina samassa suunnassa eli lähellä Pohjantähteä.  Myös jatkuva, keskeytyksetön tietoliikenneyhteys olisi etu. Haittana olisi toisaalta pitkä etäisyys, mikä vaatii isomman antennin, suuremman lähetystehon tai tyytymisen pienempään tiedonsiirtonopeuteen.

Sääsatelliittisovelluksessa edut ja haitat ovat samantapaiset. Mahdollisuus nähdä napa-alue jatkuvasti ja vieläpä kohtisuorassa suunnassa on etu verrattuna tavallisiin satelliitteihin, jotka joko näkevät napa-alueen viistosta (maasynkroniset satelliitit) tai pyyhältävät nopeasti yli (naparadan satelliitit). Toisaalta kahden Kuun etäisyyden päästä napa-alueen näkee tarkasti vain isohkolla teleskoopilla, mikä lisää painoa ja vaatinee aktiivisesti toimivan suuntauksen, koska sähköpurjeella varustettu luotain ei pysy täysin paikoillaan vaan lieat sitä aina vähän heiluttelevat.

Napaluotaimen mahdollinen sovellusalue on laaja koska se kattaa lähes kaikki sovellukset missä satelliitteja ylipäätään käytetään. Sähköpurjekäyttöisen napaluotaimen sovellusten selvittäminen ja niiden hyödyllisyyden arviointi odottaa tekijäänsä.

Sähköpurjeluotain voisi toki tarkkailla Maata muustakin suunnasta kuin navan päältä, mutta on epäselvää olisiko siitä hyötyä tavallisiin satelliitteihin verrattuna.

Hubblen UV-alueella kuvaamat Jupiterin revontulet.
Kuva: NASA/ESA/Hubble heritage team.

Muiden planeettojen napaluotaimet Jättiläisplaneetoilla on komeita revontulia, mutta niiden tarkkailu Maasta käsin on vaikeaa,  koska katselukulma on viisto. Jupiterin ja Saturnuksen revontulia on kuvattu myös niitä kiertävistä luotaimista (Galileo ja Cassini) käsin. Kummassakin tapauksessa tutkimuksen ongelmana on kuitenkin ollut samanaikaisen aurinkotuulimittauksen puute jättiläisplaneetan lähellä. Aurinkotuulihan on revontuli-ilmiöiden energialähde, vaikka jättiläisplaneettojen tapauksessa myös niiden kuut vaikuttavat plasmailmiöihin. Sähköpurje pystyisi kannattelemaan luotainta vinottain jättiläisplaneetan edessä siten että sillä on jatkuva näköyhteys planeetan navalla loimottaviin revontuliin ja toisaalta luotain olisi planeetan magnetosfäärin ulkopuolella jolloin se voi mitata aurinkotuulta. Tuloksena olisi mittaussarja planeetan kokemasta aurinkotuulesta ja samanaikaisista revontulista.

Kun näitä sovelluksia miettii, huomaa että hätkähdyttävän usein avaruuteen mennään itse asiassa näköalan takia. Esimerkiksi sääsatelliitti, tietoliikennesatelliitti, vakoilusatelliitti, aurinkovoimasatelliitti ja tässä käsitellyt ei-kepleriset sähköpurjealukset perustuvat kaikki näköalan saavuttamiseen, eli yksinkertaisesti aluksen paikan tarjoamaan geometriseen etuun. Muitakin syitä nousta avaruuteen toki on olemassa, esimerkiksi avaruusplasmafysiikan paikan päällä tehtävät mittaukset (plasmaa voidaan mitata vain lentämällä sen läpi) tai asteroidien kaivostoiminta. Saatamme olla avaruusolentoina vielä melkoisia aloittelijoita, kun suuri osa toiminnastamme voidaan selittää yksinkertaisella geometrisella idealla.

Pekka Janhunen

EU-projektin alkulaukaus

Sähköpurjekolumni 24.1.2011

ESAIL projektin Kick-off kokouksen osallistujat Ilmatieteen laitoksella
sähköpurjealuksen mallin takana.

 EU-projekti käynnistyi joulukuun alussa ja aloituskokous on pidetty. Kevättalven aikana pitää päättää mikä sähköpurjegeometria valitaan. Sain valmiiksi aiempaa yleiskäyttöisemmän dynaamisen simulaattorin, jossa mekaaninen malli määritellään Lua-kielellä ja jonka aikaintegrointirutiinin voi halutessaan säätää hyvin tarkaksi. Erilaisia sähköpurjemalleja onkin pyöritelty koneella ahkerasti lento-ominaisuuksien selvittämiseksi. Päätös rakennettavan sähköpurjeen tyypistä on kauaskantoinen asia jota valmistellaan huolella. Huomion kohteena ovat ainakin vikasietoisuus, suorituskyky, lennon vakaus, toimintalämpötila-alue, säteilynkesto, skaalattavuus, modulaarisuus, vaatimukset hyötykuormalle, toimintakunnon diagnosoitavuus ja hinta.

ESAIL Kick-off kokoonpano.

Liekatiimi sai joulukuussa valmiiksi ensimmäisen kymmenmetrisen liean. Liean tyyppi on muutoin lopullisen kaltainen paitsi että se koostuu vain kahdesta eikä neljästä langasta. Liean tekeminen (lähes tulhat lankaliitosta) oli monen vuorokauden urakka, mutta nyt tammikuussa on valmistumassa uusi liekatehdas, joka on jo riittävän automaattinen niin että kymmenmetrisen liean pitäisi olla rutiinijuttu. Liekatiimi on pian vaiheessa, jossa kone raksuttaa automaattisesti ja sitä tarvitsee vain säätää. Kun siihen päästään, liekaa voidaan tuottaa paljon jolloin esimerkiksi kelautumistestit pääsevät myös täysillä käyntiin.

Tällä tiimillä alkoi sähköpurjeen EU-projekti. Kuva ESAIL Kick-off kokouksesta.

Elektronitykkiprojekti Jyväskylässä ESTCube-1 ja Aalto-1 -satelliitteja varten on edennyt hyvin viime viikkoina. Kyse on noin postimerkin kokoisesta kylmäkatoditykistä. Kylmäkatodiperiaate valittiin koska pienessä satelliitissa ei ole riittävästi tehoa tavalliselle hehkukatodille, varsinkin kun hehkukatodi ei pidä siitä että sitä sammutetaan ja sytytetään usein. Lopullisessa sähköpurjeessa hehkukatodia kyllä voidaan käyttää koska muutaman watin ylimääräinen tehonkulutus ei merkitse mitään. Jyväskylässä on tehty erittäin paljon uraauurtavaa työtä elektronitykin rakentamisessa. Olisi mukava jos työ kantaisi hedelmää myös sillä tavoin että kylmäkatoditykille löytyisi muitakin käyttökohteita.

Pekka Janhunen

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 5: Kiertoajelu asteroideilla

Koska sähköpurje ei tarvitse polttoainetta, sitä käyttävä luotain voisi lentää useiden asteroidien vierellä havaintoja tehden. Asteroidivyöhykkeellä lennettäessä sähköpurjeen suuri tehokkuus pääsee oikeuksiinsa, koska luotain pysyy jatkuvasti sopivalla etäisyydellä auringosta. Esimerkiksi kymmenen vuoden tehtävässä yhden newtonin sähköpurje (massa 100 kg) tuottaa 300 miljoonan newtonsekunnin kokonaisimpulssin, mikä vastaa sadan tonnin kemiallisen raketin tuottamaa impulssia. Jos tuo satakiloinen purje on asennettu tonnin painoiseen alukseen, delta-v:tä kertyy kymmenvuotisen tehtävän aikana huimat 300 km/s. Jos vastaava tehtävä yritettäisiin suorittaa ionimoottorilla, ominaisimpulssin pitäisi olla 30,000 sekuntia ja tehon parisataa kilowattia. Parhaat nykyiset aurinkopaneelit tuottavat noin 100 W/kg, jolloin jo pelkkä aurinkopaneelisto painaisi pari tonnia eli 20 kertaa enemmän kuin sähköpurje. Jos sähköpurje saadaan toimimaan edes likimain ennustetulla tavalla, se tulee olemaan täysin ylivoimainen propulsiolaite tämäntyyppisissä tehtävissä.

Asteroidivyöhykkeellä on paitsi asteroideja, myös niistä irronneita kiviä, soraa, hiekkaa ja pölyä. Ne voivat periaatteessa katkoa sähköpurjeliekoja. Emme osaa tarkasti arvioida liean katkeamisen todennäköisyyttä, koska emme tiedä kuinka paljon pienkappaleita asteroidivyöhykkeellä on. Meteoroidimallien mukaan asteroidivyöhykkeellä esiintyy suhteellisesti vähemmän hienojakoista pölyä ja enemmän pikkukiviä kuin lähellä Aurinkoa. Tällöin asteroidivyöhykkeelle optimoitu sähköpurjelieka on leveämpi kuin esimerkiksi Merkuriuksen radalle suunniteltu. Leveämpi lieka on nopeampi valmistaa, koska tarvitaan vähemmän lankaliitoksia liean pituusyksikköä kohti. Toisaalta liekarullien pitää olla kookkaampia.

Videolla löydettyjä asteroideja vuodesta 1980 lähtien - aikamoista ruuhkaa loppua kohden! Havaintomenetelmien parantuessa myös tunnettujen asteroidien lukumäärä on noussut kovaa vauhtia. Video: Scott Manley, Lowellin observatorio

Liekojen meteoroidikestävyyttä voidaan tarvittaessa parantaa lisäämällä rinnakkaisten lankasäikeiden määrää. Asteroidivyöhykkeen kivi ja sora ei siis ole sähköpurjeelle periaatteellinen ongelma.

Toinen tärkeä seikka asteroideja tutkivalle sähköpurjeelle on navigointitarkkuus. Jos luotaimen on tarkoitus lentää esimerkiksi muutamia päiviä 100 km päässä asteroidista tarkkojen kuvien ja alkuaineanalyysin suorittamiseksi, sähköpurjeen oma lentotarkkuus ei ehkä riitä vaan mahdollisesti tarvitaan avuksi esimerkiksi FEEP-moottoreista saatavaa tarkasti säädettävää työntövoimaa. Lisäksi sähköpurjelieat ja itse alus aina heiluvat jonkin verran. Jotta saataisiin tarkkoja kuvia asteroidin pinnasta, kamerassa pitää olla laitteisto, joka pitää sen tarkasti halutussa suunnassa huolimatta avaruusaluksen rungon liikkeistä.

Kuinka monta asteroidia sähköpurjemissio voisi tutkia kymmenessä vuodessa? Kysymystä ei ole tutkittu ja se vaatii joka tapauksessa tarkentavia oletuksia. Ovatko kaikki asteroidit kiinnostavia? Halutaanko lentää tutkittavan asteroidin rinnalla vai riittääkö suuremmalla nopeudella tapahtuva lyhyt ohilento? Halutaanko tutkia Maan lähiasteroideja (ns. NEO-asteroideja, Near-Earth Objects) vai käydä läpi koko asteroidivyöhyke sisältä ulkoreunalle asti?

Pekka Janhunen puhumassa sähköpurjeesta. Kuva: Riina Varol, Wikimedia

Ehkä tarkan lentosuunnitelman tekeminen on tarpeetonta ja asteroidien sähköpurjekartoitukseen voitaisiin suhtautua kuten Mars-mönkijöihin, joita käskytetään tilanteen mukaan mielenkiintoiselta kiveltä ja kraatterilta toiselle. Tärkeintä on oppia lentämään ja tekemään laadukkaita havaintoja sähköpurjealuksesta käsin. NEO-asteroidit olisivat siinä mielessä kiitollinen aloituskohde että silloin pysyttäisiin melko lähellä Maata, jolloin meteoroidiympäristö ja terminen ympäristö ovat samantapaisia kuin satelliiteilla ja datan siirto Maahan on suhteellisen helppoa lyhyehkön etäisyyden takia. NEO-asteroidit olisivat tärkeimmät myös törmäysten eston ja asteroidien kaivostoiminnan kannalta.

Asteroidien kaivostoiminta on tulevaisuuden avaruustoiminnan todennäköinen kulmakivi. Asteroidien raaka-aineista voidaan valmistaa rakettipolttoaineet suurten aurinkovoimasatelliittien nostamiseen radoilleen ja ehkä myöhemmin myös satelliittien rakenteellisia osia tai jopa avaruuden siirtokuntien raskaita rakenteita. Maan päällä puolestaan asteroideilta tuodut kohtuuhintaiset platinaryhmän metallit saattaisivat mahdollistaa esimerkiksi polttokennojen laajamittaisen käytön. Asteroidien etu verrattuna Kuuhun on, että kaivannaisia ei tarvitse nostaa pinnalta raketeilla ja että hiilikondriittiasteroideilla esiintyy runsaasti myös vettä ja hiiltä rakettipolttoaineiden raaka-aineiksi. Toisaalta asteroidien haittapuoli on pääomakuluja lisäävä ajallisesti pitkä siirtomatka, joten ehkä lopullisempi ratkaisu on käyttää myös kuuperäisiä aineita nostaen niitä raketeilla asteroidiperäisen metaanin tai vedyn avulla (happi voitaneen tuottaa Kuun kivistä). Joka tapauksessa sähköpurjeet mahdollistavat liikenteen asteroideille ja takaisin kohtuullisin kustannuksin.

Pekka Janhunen

Kestävää ja laajaa avaruustoimintaa

Miten paljon avaruustoiminta saastuttaa? Voisiko sitä tehdä nykyistä puhtaammin? Jos jonain päivänä rakennetaan aurinkovoimasatelliitteja, tarvitaan paljon enemmän rakettilaukaisuja. Olisiko nykyistä tuhat kertaa laajempi avaruustoiminta ekologisesti kestävää?

Jos esimerkiksi rakennetaan aurinkovoimasatelliitteja, rakettilaukaisujen tahti voi kiihtyä nykyisestä sata- tai tuhatkertaiseksi, ja nykyiselläkin tahdilla avaruustoiminnan ekologista puolta kannattaa aika ajoin miettiä.

Kiinteän polttoaineen kantoraketeista pitäisi päästä eroon. Ne ovat vaarallisia tuottaa ja käsitellä ja ne tuottavat myrkyllisiä ja otsonikerrokselle haitallisia palamistuotteita kuten suolahappoa ja klooria. Kiinteiden rakettien ominaisimpulssi on myös nesteraketteja huonompi. Ne kannattaisi korvata hiilivetypolttoainetta käyttävillä uudelleenkäytettävillä vaiheilla. Alemman vaiheen muuttaminen uudelleenkäytettäväksi lopettaisi myös tarpeettoman merenpohjan roskaantumisen rakettiromusta.

Vaikka rakettilaukaisussa kerosiini palaa niin että näkyy ja tuntuu, laukaisujen hiilidioksidipäästö ei silti ole ilmaston kannalta merkittävä. Vaikka laukaisutahti olisi tuhatkertainen nykyiseen verrattuna, hiilidioksidia tulisi raketeista vain likimain saman verran kuin Suomen henkilöautoista. Kantorakettien hiilivetypolttoaineita ei siis kannata hyljeksiä, vaikka niiden korvaaminen nestevedyllä olisi toki mahdollista. Kussakin kantoraketissa valinta nestevedyn ja hiilivetyjen välillä kannattaa tehdä teknisten, taloudellisten ja turvallisuusasioiden perusteella, kuten tähänkin asti.

Soyuzin laukaisussa kerosiinia palaa niin että näkyy ja tuntuu. Lähde: Wikimedia

Ylempi rakettivaihe voisi tietysti olla myös uudelleenkäytettävä. Jos se kuitenkin on kertakäyttöinen, sen materiaaleihin kannattaa kiinnittää hieman huomiota. Vaiheen pitää hajota ja palaa ilmakehässä täydellisesti ja myrkyllisiä alkuaineita ja raskasmetalleja pitäisi välttää. Esimerkiksi alumiini, magnesium ja monet muut tavalliset aineet ovat palamistuotteiltaan siistejä. Ilmakehän aiheuttama kuumennus on etu, koska se hajottaa monet myrkylliset yhdisteet. Ylemmän vaiheen saaminen siistiksi ei liene vaikeaa, kunhan asia pidetään mielessä.

Miten sitten satelliitit kannattaisi nostaa lopulliselle radalleen ja käytön jälkeen sieltä pois? Perinteinen ratkaisu on hydratsiini-typpitetroksidimoottori, mutta molemmat aineet ovat hyvin myrkyllisiä. Myrkyllisyys ei tosin ole avaruudessa kovin iso ongelma, koska ainemäärät ovat vain pari prosenttia kantorakettien polttoainemääristä. Joskus tosin näkee pääteltävän virheellisesti että kunhan poltto tehdään ilmakehän ulkopuolella, pakokaasuilla ei olisi merkitystä. Yleensä pakosuihku kuitenkin putoaa suoraa päätä ilmakehään, koska se liikkuu 3-3.5 km/s hitaammin kuin itse alus.

Polttoaineen myrkyllisyys on joka tapauksessa ongelma Maassa, kun rakettimoottoria testataan. Ongelma on erityisesti hapetin: ei tunneta vaaratonta huoneenlämpöistä nestettä, joka olisi samalla tehokas hapetin. Väkevä vetyperoksidi täyttää vaatimukset muuten, mutta se räjähtää pienestäkin epäpuhtaudesta. Ilokaasu ei ole yhtä herkkää räjähtämään, mutta se on melko tehotonta. (Ilokaasua taidettiin pitää hyvin turvallisena, kunnes Burt Rutanin Scaled Composites -yrityksessä tapahtui vuonna 2007 räjähdys jossa kuoli kolme ihmistä.) Polttoaineiden puolella on enemmän valinnanvaraa, voitaisiin käyttää esimerkiksi alkoholeja tai kerosiinia. Hydratsiini-typpitetroksidiyhdistelmän tunnettu etu on hypergolisuus, eli aineet reagoivat aina kohdatessaan, joten moottori käynnistyy varmasti ja poksahtelematta. Rakettimoottorin sytytys voi olla joskus iso ongelma. Italialaiset alkoivat pari vuotta sitten kehittää vetyperoksidi-etaanimoottoria, mutta eivät saaneet sytytystä toimimaan. Vaikka vetyperoksidi on monopropellantti ja hajoaa katalyyttisihdin läpi suihkutettaessa hyvin kuumaksi vesihöyryksi ja hapeksi, etaanin ja hapen välinen reaktio ei silti käynnistynyt. Projekti on tällä hetkellä hyllytetty kunnes joku keksii ongelmaan ratkaisun.

Ionimoottoreiden yleisin ajoaine on jalokaasu ksenon, jonka käyttö ei ole kuitenkaan pitkän päälle mahdollista, koska aine on kovin harvinainen. Ksenonia saadaan vuodessa tietty määrä ilmantislauksen sivutuotteena. Enempää ksenonia ei voida saada, koska ilmaa ei kannata tislata pelkästään ksenonin takia. Ksenon pitää siis jossakin vaiheessa korvata argonilla, vedellä tai muulla riittävän yleisellä aineella. Yleisesti ottaen ionimoottoreiden kehitystyö on kallista, koska pitkät toiminta-ajat vaativat pitkiä testiajoja tyhjiökammiossa. Monen ionimoottorityypin suurin ongelma on ionipommituksen aiheuttama osien vähittäinen kuluminen.

Avaruussukkula Atlantis Xenon-valojen loisteessa. Lähde: Wikimedia

Sähköpurjeen EU-projektin yhtenä osaprojektina kehitetään sähköstaattisia FEEP-ionimoottoreita (Field EffectElectric Propulsion) kohti sarjatuotantoa. Pienet FEEP-moottorit ovat monessa mielessä ihanteellisia ainakin paperilla, vaikka satelliitin päämoottoriksi ne riittäisivät vain suurena joukkona. Sähköpurjeen FEEP-vaihtoehdossa jokaisen liean kärkeen tulevaan etäyksikköön asennettaisiin FEEP-moottori. Moottoreilla käynnistettäisiin liekojen pyöriminen ja voitaisiin tarvittaessa muuttaa pyörimisnopeutta lennonkin aikana. FEEP-moottoreiden ajoaineena on joko nestemäinen metalli (indium tai cesium) tai jokin synteettinen ionineste eli huoneenlämpötilassa nestemäinen suola.

 

Avaruusromu

Tulevaisuudessa satelliitit pitää avaruusromuongelman takia poistaa kiertoradalta käytön jälkeen. Nykyinen ”hautausmaaratojen” käyttö geostationaarisen radan yläpuolella ei ole kestävä ratkaisu, koska hautausmaaradallakin satelliittiromuihin osuu meteoroideja ja muita satelliitteja, jolloin ne pirstoutuvat ja haudantakainen porukka laajenee surmaten elävätkin satelliitit. Satelliitti voidaan poistaa joko palauttamalla suoraan ilmakehään tai nostamalla ulos Maan painovoimakentästä. Ulos viety satelliitti voidaan edelleen törmäyttää Maan ilmakehään tai Kuuhun tai se voidaan jättää kiertämään Aurinkoa. Jos ei haluta ottaa riskiä että se törmäisi myöhemmin Maahan, esimerkiksi sähköpurjeen antaman lisätyöntövoiman avulla se voitaisiin tupsauttaa vaikkapa Venuksen ilmakehään. Jos satelliitti aiotaan palauttaa tehtävän päätyttyä Maahan, myrkyllisiä aineita pitäisi välttää kuten kantoraketeissakin. Satelliitin aiottu loppusijoitustapa pitäisi siis ottaa huomioon jo satelliitin suunnittelussa.

Romuongelmasta huolimatta satelliitteja mahtuu taivaalle paljonkin, kunhan niiden käsketään väistää toisiaan, ohjauskyvyttömät satelliitit poistetaan ja rakenteissa otetaan huomioon pienten törmäysten sietokyky ja vältetään sirpaloituvia materiaaleja. Mitä nopeammin vanhoja satelliittiromuja aletaan hakea kiertoradalta alas, sitä vähemmän ehtii tulla sirpaleparvia tuottavia satelliittikolareita. Romuasian ikävä puoli on se että vihamielinen taho pystyy halutessaan tekemään paljon kiusaa itselleen ja muille avaruusromua tuottamalla. Tosin onhan maan päälläkin moinen mahdollista monella tavalla.

Goce-1 satelliitti. Kuva: ESA

Vuorenvarma tapa olla tuottamatta lisää kiertorataromua ja olla samanaikaisesti immuuni vanhalle romulle on lennättää satelliittia niin matalalla radalla, että radan ylläpito tarvitsee jatkuvaa ionimoottorin tai sähködynaamisen liean työntövoimaa, kuten ESA:nGoce-satelliitissa. Kun satelliitti lakkaa toimimasta, se putoaa silloin itsestään ilmakehään.

Sähköpurje ja elektrolyysiraketti

Sähköpurjetta ei valitettavasti voi käyttää satelliittien siirtämiseen radalta toiselle, koska Maan magneettikenttä estää aurinkotuulen pääsyn sille alueelle missä satelliitit ovat. Sähköpurjeesta kehitettyä ns. plasmajarrua voi kuitenkin käyttää LEO-satelliitin pudottamiseen ilmakehään, kuten Avaruusluotaimessakin aiemmin on ollut juttua.

Aalto-1 satelliitti tulee testaamaan plasmajarrun toimintaa. Lähde: Wikimedia

Elektrolyysipropulsio on mielenkiintoinen konsepti satelliittien siirtelyyn, joka on tarjoamiinsa etuihin nähden saanut mielestäni liian vähän huomiota. Elektrolyysiraketti on tavallinen vety-happiraketti, jossa polttoaine kuitenkin säilötään veden muodossa. Vettä hajotetaan hitaasti elektrolyysillä vedyksi ja hapeksi käyttäen sähköenergiaa. Vety ja happi välivarastoidaan tankkeihin kaasumaisessa muodossa ja poltetaan pienessä rakettimoottorissa säiliöiden täytyttyä, minkä jälkeen alkaa uusi kierros. 

Elektrolyysiprosessi pystyy tuottamaan kaasuja paineella, joten pumppuja ei tarvita. Laite on turvallinen ja myrkytön ja vedyn ominaisimpulssi on 30% parempi kuin hydratsiinilla. Haittana on, että satelliitin nosto radalleen ei tapahdu välittömästi kuten hydratsiinilla, vaan kestää muutaman kuukauden, mikä on kuitenkin lyhyempi aika kuin ionimoottoria käytettäessä. Myös sähkötehoa tarvitaan, mutta satelliiteissahan on joka tapauksessa aurinkopaneelit. Elektrolyysiraketin tarvitsemaa pientä, uudelleenkäynnistettävää, kaasumaista vetyä ja happea polttavaa rakettimoottoria ei tietääkseni ole olemassa, mutta en uskoisi sellaisen kehittämisen olevan vaikeaa. Elektrolyysirakettien tarvitsemaa vettä voisi myöhemmin rahdata sähköpurjeilla asteroideilta ja siten välttyä nostamasta vettä Maasta kiertoradalle. Elektrolyysipropulsion tekeminen toimivaksi olisi oiva projekti-idea innovatiiviselle rakettitiimille.

Aurinkopurjeitakin voisi periaatteessa käyttää satelliittien siirtelyyn. Asiassa on kuitenkin periaatteellinen hankaluus: jotta auringon säteilypaine voittaisi ilmakehän jarrutuksen, satelliitti pitää ensin nostaa varsin korkealle radalle jollain muulla menetelmällä.

Aurinkovoimasatelliitti tuottaa kantorakettiensa tupruttamaa hiilidioksidipäästöä vastaavan energian takaisin muutamassa kuukaudessa. Kestävä ja laaja avaruustoiminta on mahdollinen, aurinkovoimasatelliittien käyttöönotto tai muu suursovellus ei ole siitä kiinni. Ehkä kestävä ja laaja avaruustoiminta tietää myös kestävää ja laajaa asutusta planeettamme pinnalla.

Pekka Janhunen