Sähköpurjekolumni 32

Sähköpurjekolumni 13.11.2014

ESTCube-1 -satelliitin (virolaisten opiskelijoiden rakentama 1 kg painoinen CubeSat, joka laukaistiin toukokuussa 2013) liean avaamiskomennot aloitettiin syyskuun puolivälissä. Avaaminen ei onnistunut, mikä pääteltiin siitä että liean kärkimassa ei ilmestynyt kameran näkökenttään. Tuosta alkoi salapoliisityö jonka tavoitteena on selvittää mitä oli tapahtunut. Työ on edelleen kesken. Tiedämme että moottori jonka pitäisi pyörittää liekarullaa kuluttaa tehoa kun se laitetaan päälle. Myös rullaa paikoillaan pitänyt sekä liean kärkimassan paikoilleen sitonut laukaisulukko kuluttavat oikean määrän tehoa kun virta ohjataan kulkemaan niissä olevan vastuksen läpi jolloin vastuksen vieressä olevan muovilangan pitäisi sulaa poikki ja vapauttaa lukon jousimekanismi. Aluksen asentodata viittaa siihen että liekarulla ei pyöri vaikka moottori käy, mutta tieto on toistaiseksi vähän epävarma. Jos näin on, silloin pettänyt osa on todennäköisesti rullaa paikoillaan pitänyt laukaisulukko: se ei jostain syystä päästä rullaa pyörimään vaikka muovilanka on todennäköisesti sulanut poikki. Tämä ei olisi siinä mielessä yllättävää että kyseinen mekaaninen osa on juuri se joka jouduttiin aikanaan improvisoimaan lyhyessä ajassa, kun täristyskoe osoitti että moottorin sisäinen kitka ei riitä estämään liekarullaan pyörimistä laukaisutärinän aikana.

Syksyn aikana ESTCube-1 teki todennäköisesti satelliitin pyörimisnopeuden epävirallisen maailmanennätyksen: yli kaksi kierrosta sekunnissa. Pyöriminen saavutettiin pelkillä magneettivääntimillä, eli satelliitin sivupaneeleissa oleviin magneettikeloihin johdetaan virtaa sopivassa tahdissa, jolloin syntyvä magneettinen momentti vääntää satelliitti Maan magneettikentän suhteen. Ennätys syntyi huolimatta satelliitissa olevasta magneettisesta epäpuhtaudesta. Magneettisen epäpuhtausongelman kiertäminen ohjelmoinnilla oli pääasiallinen syy siihen että liekakoetta päästiin yrittämään vasta yli vuoden päästä satelliitin laukaisusta.

ESTCube-1:n aurinkopaneelit. Kuva: Wikipedia

ESTCube-1:n aurinkopaneelien tuottama teho putosi melko rajusti satelliitin ensimmäisen kuukauden aikana, mutta sen jälkeen putoaminen on ollut hidasta. Arvelemme tehonpudotuksen johtuvan siitä että aurinkopaneelien peittona ei ollut laseja suojana matalan kiertoradan atomaarista happea vastaan. Sähkön niukkuus ei ole estänyt minkään operaation tekemistä satelliitilla, mutta se on hankaloittanut ja hidastanut operointia koska satelliitin akkujen latausjaksot ovat olleet pitkiä. Satelliitin ohjelmistoja on päivitetty kymmeniä kertoja ja nykyiset ohjelmat mm. säästävät sähköä aggressiivisesti kytkemällä alijärjestelmät pois päältä heti kun niitä ei tarvita.

Tällä hetkellä näyttää siltä että sähköpurje-efektin mittaus jää Aalto-1 -satelliitin tehtäväksi, mutta monilta osin ESTCube-1 oli myös suuri menestys.

Miten nopeasti Rosetta olisi päässyt perille sähköpurjeella

Rosettan laskeutuja toivottavasti tömähtää komeetan pintaan huomenna. Laskimme huvin vuoksi kuinka nopeasti Rosetta-mission pystyisi toteuttamaan sähköpurjeella:

Kuva ja lasku: Alessandro Quarta, Pisan yliopisto

Kuvassa on matka-aika vuosissa sähköpurjeen ns. ominaiskiihtyvyyden funktiona. Esimerkiksi ominaiskiihtyvyys 1 mm/s^2 saavutetaan jos purje tuottaa yhden newtonin työntövoiman (1 au:n etäisyydellä Auringosta) alukselle jonka kokonaismassa on 1000 kg.  Laskussa on otettu huomioon että työntövoima pienenee kun ollaan kauempana Auringosta. Pystysuorat viivat ja kertovat kuinka monta kertaa luotain kiertää Auringon kussakin tapauksessa.

Yhden newtonin sähköpurjeella Rosettan saisi siis perille 10 vuoden sijaan yhdessä vuodessa. Tällaista purjetta olemme pitäneet jonkinlaisena käytännön tavoitteena. Se on riittävän iso, jotta sen tekemisessä riittää haastetta. Se on myös jossain määrin jopa ylitehokas moniin sovelluksiin. Toisaalta sen rakentaminen ei ole epärealistista, ja vielä suurempiakin purjeita voidaan hyvin ajatella.

Missioiden matka-aikojen lyhenemisestä olisi tietysti monenlaista rahallista ja muuta hyötyä. Ylläoleva kuva pätee toki vain Rosetta-missiolle ja siinä on lisäksi oletettu että lähtöajankohta on valittu optimaalisesti. Joka tapauksessa trendi on selvä. Jos haluaa aurinkokuntatutkimukseen nopeutta, täytyy ottaa käyttöön uudenlaista propulsiotekniikkaa.

Sähköpurjeella pääsisi mittaamaan Uranuksen ilmakehää alle 6 vuodessa

Tuore Uranus-paperimme on julkaistu Planetary and Space Science -lehdessä ja se tutkii sähköpurjemissiota Uranuksen ilmakehää mittaamaan. Noin 550 kg painoinen alus laukaistaisiin Maasta aurinkotuuleen ja 0.5 newtonin sähköpurje kiihdyttäisi sen kohti Uranusta. Sähköpurje hylätään joitakin kuukausia ennen perillepääsyä mikä tapahtuu alle 6 vuoden päästä lähdöstä, ja tarvittaessa ohjausraketeilla tehdään ratakorjauksia. Aluksesta irtoaa ilmakehäluotain, joka laskeutuu lämpökilven turvin ilmakehään vajoten hitaasti laskuvarjon avulla ja tehden mittauksia. Luotain lähettää datan emäalukselle, joka samaan aikaan lentää planeetan ohi turvallisesti rengasjärjestelmän ulkopuolella. Emäalus tallettaa datan muistiin, josta se puretaan Maahan radioitavaksi sitten kun planeetan ohituksen jälkeen. Luotain murskautuu ilmakehän paineessa, mutta sitä ennen on tehnyt "tekosensa" eli mitannut ilmakehän koostumuksen.

Uranus. Kuva: Wikipedia

Samantapaisella missiolla voisi mitata muidenkin jättiläisplaneettojen sekä Saturnuksen Titan-kuun ilmakehät. Tähän mennessä ainoastaan Jupiterin ilmakehästä on suoria paikan päällä tehtyjä mittauksia (Galileo-luotain). Mittaamalla muutkin ulkoplaneetat samaan tapaan (tai edes yksi niistä, kuten Uranus) voitaisiin päätellä ovatko planeetat syntyneet aikoinaan kertymäkiekosta suunnilleen nykyisillä etäisyyksillään, vai ovatko planeetat vaeltaneet syntymänsä jälkeen, kenties jopa vaihtaneet paikkoja. Nämä tapahtuvat ovat ehkä olleet Maan historian kannalta hyvin merkittäviä, koska niiden sivutuotteena pois radaltaan sinkoutuneet ulkoaurinkokunnan pienkappaleet ovat törmäilleet sisäplaneettoihin ja maalanneet mm. Kuun "silmät" eli kaksi suurta törmäysten aiheuttamaa laavatasankoa.


--------
Tämä tutkimus herätti myöhemmin mukavasti keskustelua, mm. Centauri Dreams -blogissa käytiin hyvää keskustelua.

Sähköpurjekolumni 31

Sähköpurjekolumni 25.8.2014

Telakointi on välttämätöntä, paluu ei?

Sähköpurjeesta ei lopu ajoaine, joten se sopisi tehtävään jossa vieraillaan esimerkiksi useilla asteroideilla tai palautetaan näytteitä Maahan. Saavuttuaan asteroidin luokse alus sammuttaisi sähköpurjeen jännitteet asteroidin tutkimisen ajaksi, kunnes lentäisi seuraavalle kohteelle. Avattu liekatakila rajoittaa kuitenkin asteroidin tutkimista: laskeutua ei voi, eikä edes mennä kovin lähelle. Jos aluksessa olisi jokin apumoottori, se voisi tosin lähestyä asteroidia Auringon puolelta ja leijua sen pinnan lähellä ilman kovin suurta vaaraa että pyörivät lieat koskettaisivat asteroidia (sähköpurje-efektiä ei voi tällaiseen leijumiseen käyttää, koska sähköpurjeen työntövoima osoittaa aina enemmän tai vähemmän Auringosta poispäin). Koska asteroidi yleensä aina pyörii, leijuva alus saisi koko pinnan kuvattua melko hyvällä resoluutiolla.

Asteroidin pinnan kuvaaminen Auringon suunnasta ei kuitenkaan ole kovin monipuolinen tapa saada tietoa kohteesta. Olisi parempi päästä kuvaamaan kohdetta eri suunnista, jolloin kraatterien ja kivien luomista varjoista voi laskea pinnan kolmiulotteista muotoa. Pinnan valottoman osan kuvaaminen infrapuna-alueessa puolestaan antaa tietoa sen termisestä inertiasta, mikä on yhteydessä pintakerroksen fysikaalisiin ominaisuuksiin.

Asteroideja ja komeettoja löytyy moneen lähtöön - tutkimista riittää! Kuva: Sun.org

Asteroidia tutkiva tiedemies tai kaivostoiminnasta kiinnostunut yritys haluaisi kompaktin aluksen, joka pystyy kääntämään itsensä mihin tahansa asentoon saadakseen kiinteästi asennetuille instrumenteilleen parhaan näkymän. Aluksen pitää pystyä myös leijumaan asteroidin lähellä millä puolella tahansa, laskeutumaan pinnalle, ehkä keräämään näytteitä, ja nousemaan taas takaisin. Ajoaineen säästämiseksi kaikkia manöövereitä ei välttämättä tarvitse tehdä kylmäkaasumoottoreilla, vaan aluksen sisällä oleva liikkuva massa tai epäkesko voisi saada aluksen hyppäämään pinnalla toiseen paikkaan tai kokonaan pois asteroidilta.

Jos luotain laskeutuu ja pomppii pinnalla, sähköpurjelieat eivät mitenkään voi pysyä leikissä mukana. Liekojen vetäminen takaisin sisään olisi periaatteessa mahdollista, mutta uudelleen ne todennäköisesti eivät enää avautuisi, koska niissä olisi siellä täällä mikrometeoroidien rikkomia lankoja, jotka voisivat jumittaa avaamisen. Miten siis saada luotain seuraavalle asteroidille tai kerätyt näytteet Maahan tutkittavaksi?

Ilmeinen ratkaisu on aluksen jakaminen kahteen osaan, jotka voidaan erottaa toisistaan ja taas telakoida yhteen. Laatikkomainen laskeutuja irtoaa sähköpurjealuksesta, joka jää odottamaan turvallisen matkan päähän. Kun laskeutuja on tutkinut kohteen, se palaa omilla moottoreillaan takaisin sähköpurjealuksen luo ja telakoituu siihen, minkä jälkeen kaksikon matka jatkuu seuraavalle asteroidille. Autonominen telakointi hitaasti pyörivään sähköpurjealukseen kaukana Maasta on ohjelmointitehtävä, jonka teknisiä haasteita ei kannata väheksyä, mutta mitään ylitsepääsemätöntä siihen ei sisälly. Jos aluksen pitää muutenkin osata laskeutua asteroidin pinnalla tiettyyn paikkaan, "laskeutumisen" sähköpurjealukselle luulisi olevan jopa hieman helpompaa.

Perinteiset menetelmät eivät siihen juuri kykene, mutta sähköpurjealuksen päättymätön ajokyky tekee mahdolliseksi tutkia useita asteroideja ja haluttaessa palauttaa näytteitä Maahan. Telakointia kuitenkin tarvitaan.

COSMOS - COSPARin yleiskokous Moskovassa 2.-10.8.2014

Viideskymmenes Cospar-kokous järjestettiin Moskovassa kesän kuumimpaan aikaan elokuun alussa. Suomestakin oli paljon osallistujia ja kokouspaikalla oli mahdotonta liikkua törmäilemättä muihunkin tuttuihin vuosien varrelta. Olin esittelemässä sähköpurjeella toteutettavaa Marsin valloitusta. Ideana on hakea vettä asteroideilta ja tuoda se sähköpurjeilla Maan ja Marsin kiertoradoille, joissa vesi sitten hajoitetaan vedyksi ja hapeksi. Nesteytettynä vety ja happi ovatkin sitten käyttövalmista rakettipolttoainetta (LOX/LH2), jota voidaan käyttää alusten tankkaamiseen ja näin laukaisumassat Maasta muodostuvat varsin kohtuullisiksi. (kts.myös aiempi sähköpurjeblogin kirjoitus Marsin valloituksesta, sekä kokouksen jälkeen 3.9.2014 Acta Astronauticaan lähetetty tieteellinen artikkeli aiheesta.):

Cosparissa esitetty sähköpurjeposteri.

Cospar on iso kokous, nytkin normaalia pienempänä se veti yli 3000 tiedenaista- ja miestä keskustelemaan avaruudellisista asioista Titan-kuun meristä (pinnalla näkyvissä järvissä olisi metaania ihmiskunnalle 100 000 vuoden polttoainetarpeiksi!) aina rustosolujen tubuliinitukirankojen erilaisiin kasvukuvioihin painottomuudessa (solut sopeutuvat ja palautuvat yllättävänkin hyvin). Kuultiinpa myös avaruudessa pisimpään eläneestä organismista (sitruunapuu, yli 2 vuotta) ja monista tulevaisuuden mielenkiintoisista missioideoista...

Suomalaisedustusta Cosparissa: Kirsti Kauristie, Tuija Pulkkinen, Minna Palmroth ja Sini Merikallio. Taustalla Moskovan yliopiston massiivinen rakennus.
Kuva: Giancarlo Genta.

Ote ohjelmalehtisestä.

Sähköpurje liiteli paraatipaikalla myös juuri ennen avajaisia järjestetyssä tieteellisessä "pyöreän pöydän keskustelussa", jossa sain kunnian pitää alustuksen sähköpurjeen toiminnasta ja käyttökohteista. Muina panelisteina oli mm. Cosparin presidentti, prof. Giovanni Bignami, jonka puhe kuultiin myös Suomen Cosparin 50-vuotisjuhlissa keväänä (tuon tilaisuuden puheet, ml. Pekan sähköpurjepuhe, ovat nähtävillä Youtubessa). Yhteensä kaksi tuntia kestäneessä keskustelussa vastailin sitten todella hyviin ja perustavanlaatuisiin kysymyksiin sähköpurjeen toiminnasta. Tosin sivussa jouduin ottamaan kantaa myös warppiajon mahdollisuuksiin ja astronauttivalintojen vaikeuteen, mutta pääsinpä mainostamaan suomalaisten amatöörien upeita eksoplaneettalöytöjäkin - Härkämäki rulettaa!

Pyöreä pöytä, vasemmalta: Giovanni Bignami, Sini Merikallio, Giancarlo Genta, Leonid Ksanfomality ja Roberto Ragazzoni. Kuva: Minna Palmroth.

Kokouksen kohokohtana oli kuitenkin Rosetta -aluksen saapuminen komeetta 67P:n (Churyumov-Gerasimenko) kupeeseen. Seurasimme lähestymistä täpötäydessä auditoriossa tiedeporukan kanssa, joista suurella osalla oli ollut näpit jotenkin mukana tässä isossa proggiksessa. Tuntuu epätodelliselta ajatella sen avaruusaluksen, jonka viimeksi näki EMC-testeissä ESTEC:ssä vuosia sitten, olevan nyt yli neljänsadan miljoonan kilometrin päässä komeettaa kiertämässä (noiden testien valvojaksi lähteminen oli ensimmäisiä, ellei peräti ensimmäinen, ulkomaan työmatkani). Sähköpurjeen kehityksen myötä tulevaisuuden avaruusmissiot eivät ehkä kestäkään enää kymmeniä vuosia – Rosettakin olisi sähköpurjeella voitu toimittaa kohteeseensa vain parissa vuodessa, kun sillä nyt meni matkaansa reilut kymmenen vuotta. Polttoainetankit eivät myöskään kerrasta tyhjentyisi, vaan samalla matkalla voitaisiin halutessa poiketa useammankin kohteen kautta, vaikkapa koukkaamalla asteroidivyöhykkeelle kiertoajelulle (kts. blogin aiempi kirjoitus).

Kunnon sadekuurot ilahduttivat loppuviikkoa kuumien ja auringonpaahteisten päivien keskellä.

Cosparin kuumat vuodet jatkuvat; kahden vuoden kuluttua lentokoneet suuntaavat Istanbuliin ja neljän vuoden kuluttua avaruus kondensoituu Malesiassa.

Matkailuterveisin Suomen Cosparin kansalliskomitean sihteeri,

                           Sini Merikallio

Punainen tori on yllättävän pieni, vino ja huonopintainen - siinä on varmasti ollut kieli keskellä suuta sillä nuorella saksalaisella, joka 80-luvulla laskeutui tuonne Cessnansa kanssa... 

JK. Kokouksen jälkeen oli hieman aikaa pyörähtää Moskovassakin, joten suunta otettiin luontevasti kohti eläintarhaa. Olikin mukavaa nähdä isolta osaltaan hienoksi restauroitu tarha, jossa monilla eläimillä oli suhteellisen hyvät olot: jääkarhuilla mm. oli ihan oma jääkone, josta tiputteli tasaiseen tahtiin jäähilettä pieneksi kasaksi, jossa oli hyvä kesäkuumallakin köllötelä. Toivottavasti isojen krokotiilienkin tilat uusitaan pian, ne kun tuskin mahtuivat täysin suoristumaan pienissä kopeissaan. Orankien touhuja olisi voinut seurailla tuntikausia - "metsän ihmisten" meno oli todella tutun oloista. Yksi orankineidoista työnsi lasin reunan välistä minulle pienen tikun, jonka sitten sitä "tutkittuani" ja hajustettuani työnsin raosta takaisin odottavalle orangille. Hetken vedimme yhtä tikkua ja tarkkaan se sitten tulikin nuuskittua ja mutusteltua lasin toisella puolen. Näitä mahtavia otuksia täytyy joskus päästä näkemään niiden omassa luonnollisessa ympäristössäkin - toivottavasti tuota nyt kovin nopeasti katoavaa ympäristöä ja elintilaa orangeillekin vielä tulevaisuudessa riittää!

Sähköpurje komeasti esillä EU:n tutkimus- ja innovaatiolehdessä

 

Tämä kuva on EU:n jutussa pienenpienenä, joten tässä isompi versio: Pekka Janhunen sähköpurjeen tiimikokouksessa Pisassa 2012. Kuva: Sini Merikallio

EU:n Horizon-lehdessä käsitellään sähköpurjetta ja sen mahdollisuuksia aurinkokuntamatkailuun jutussa "Crossing the solar system on a 400 square km solar sail". Sähköpurjeen toimintaperiaatteen ja mikrometeoriittihaasteen lisäksi jutussa käsitellään ESTCube-1 satelliitin tulevaa liekatestiä.

ESTCube-kokous, Tõravere 9.-11.7.2014

ESTCube-1:sen liekakokeen alkamisesta käydään parhaillaan keskusteluja Tartun liepeillä Tõraveressä. Myös tulevia kokeita ja satelliitteja, sekä seuraavia Estcubeja, suunnitellaan jo kovalla höökillä nelisenkymmenen osallistujan voimin.

Ilmatieteen laitokselta paikalla ovat Pete, Jouni, Sini ja Pekka.

ESTCube-1:sen signaalit näkyvät yläruudussa vaakasuorina viivoina.

Normaalin avaruudessa purjehtimisen sijaan ESTCube-tiimi kävi Emäjoella etenemässä. Aluksessamme, viikinkilaiva Turmissa, oli kyllä lieat, mutta niissä ei ollut jännitettä (eikä ihan aurinkotuulessakaan oltu), joten jouduimme siis itse soutuhommiin! 

Ryhmäkuva Workshopin osallistujista Tartun Observatorion edustalla.