torstai 30. elokuuta 2012

ESTCube loppusuoralla

Sähköpurjekolumni 30.8.2012

ESTCube-1 -piensatelliitin aikataulu aikaistuu: satelliitin luovutus on näillä näkymin joulukuussa ja laukaisu maaliskuussa. Tällä hetkellä ei ole vielä varmaa ehditäänkö kaikki saada valmiiksi ja testattua syksyn aikana, mutta yritys on kova. ESTCube-1:n laukaiseminen nopeutetussa aikataulussa olisi hyvä koska silloin ESTCube-1:n tulokset ja mahdollisesti ilmenevät ongelmat ehditään ottaa huomioon Aalto-1 -satelliittia rakennettaessa.

Viron ensimmäinen satellitti valmistumassa.
 Ensimmäinen yritys kilometrin pituisen nelilankaisen liean tekemiseksi on suunnitelmissa aloittaa lähipäivinä. Jos kaikki menee hyvin, työ kestää pari viikkoa. Harjoituksena ESTCube-1 lentomallin tuotantoa varten tehtaalla tuotettiin viime viikolla kymmenmetrinen lieka. Automaattinen tuotanto kesti kolme tuntia ja se keskeytyi kerran laitteen omaan virheilmoitukseen joka fiksattiin manuaalisesti. Nyt tuotettava lieka on muuten lopullisen kaltaista paitsi että sen silmukkalangoissa on tuotantomenetelmästä johtuvat ylimääräiset taitokset. Taitoksista on tarkoitus päästä eroon liekatehtaan seuraavassa kehitysversiossa, vaikka taitoksiakin sisältävä lieka kelpaisi hyvin ESTCube-1 ja Aalto-1 -satelliitteihin. Lieka tuotetaan suoraan avaruuteen lentävälle puolalle. Vaikka liean voi periaatteessa siirtää kelalta toiselle, sitä ei tehdä koska ohuen liean turhaa käsittelyä halutaan välttää.

Andrea Rossin reaktorikeksintö on edennyt nopeasti. Hän on nostanut ytimen lämpötilan tuhanteen asteeseen, 10.9. on luvassa tarkempi raportti ja lokakuussa riippumattomien yliopistotahojen antama testiraportti. Toisaalta Francesco Celani (Frascatin kansallinen laboratorio) demonstroi ICCF-17 -kokouksessa Koreassa 10-18.8. omaa nikkeli-vetyreaktoriaan. Professori Celanin laite tuottaa parinkymmenen watin tehon ja se on tietyllä tavalla pintakäsitelty metrin pituinen ohut konstantaanilanka vetykaasussa. Vaikka Celanin tutkimusreaktorin teho on pieni, langan tehotiheys on suuri ja ylittää kemiallisen rajan minuuteissa. Reaktori oli päällä kokousviikon ajan ja Celani kertoo ajaneensa sitä aiemmin pari kuukautta, jossa ajassa se ylitti kemiallisen rajan 40000-kertaisesti. Ydinreaktioissahan vapautuu enimmillään miljoonia kertoja enemmän energiaa kuin kemiallisissa reaktioista.

Ainakin toistaiseksi Rossin reaktori vaatii kuudesosan tuottamastaan lämmöstä sisään sähköenergiana. Tämän takia reaktorin lämpötila on tärkeä: jos reaktori on riittävän kuuma, se voi pyörittää generaattoria, joka tuottaa sähköä paremmalla kuin kuudesosan hyötysuhteella. Sen jälkeen laitteisto voi tuottaa lämpöä ja sähköä kuten fissiovoimala.

Rossin reaktorin uusimman version teho-painosuhde 2 kW/kg riittää periaatteessa lentämiseen. Ehkä pitäisi kaivaa esiin Convairin ja neuvostoliittolaisten ydinkäyttöisen suihkukoneen suunnitelmat 1950-luvulta.


Pekka Janhunen

keskiviikko 30. toukokuuta 2012

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 9: Miehitetyt Mars-lennot

Taiteilijan näkemys miehistöstä tutkimassa Marsia (Wikipedia)
Miehitettyjä Mars-lentoja voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Joissakin suunnitelmissa miehistö oleskelutiloineen laskeutuu planeetalle kertarysäyksellä, toisissa hyötykuormia viedään planeetan pinnalle etukäteen. Vähitellen tapahtuva rakentaminen on monessa mielessä houkutteleva vaihtoehto, mutta haasteena on saada lennot laskeutumaan lähelle toisiaan, tai vaihtoehtoisesti hyötykuormia ja miehistöä pitää kuljettaa esimerkiksi pyöräajoneuvolla tai ehkäpä rakettialuksella, joka käyttää Marsin ilmakehästä ja vedestä tuotettua metaania ja happea. Jos planeetan pinnalla on toimiva kuljetuspalvelu, miehistö voi laskeuduttuaan liikkua vapaammin planeetalla ja tutkia sitä. Tällöin on ehkä myös lähempänä ajatus että oleskelu Marsissa voisi saada pysyvämmän luonteen.
Jos Marsin pinnalla on toimivat oleskelutilat ja kuljetusinfrastruktuuri, miehistöt voivat laskeutua ja nousta pienehköissä aluksissa, jotka tankataan nousua varten Marsissa tuotetulla metaanilla ja hapella. Matkaan Maasta Marsin kiertoradalle ja takaisin tarvitaan raskaampi säteilysuojattu alus, joka tankataan uudelleen Marsin kiertoradalla. Välitankkaus pienentää aluksen lähtöpainoa ja tulee mahdolliseksi, jos Phobos-kuussa on vettä tai jos sähköpurjealuksilla rahdataan asteroidien vettä Marsin kiertoradalle. Paluun jälkeen siirtoalus voidaan periaatteessa tankata uudelleen Maan kiertoradalla uutta Mars-matkaa varten. Nousu matalalta Maan kiertoradalta marginaalisesti sidotulle ellipsiradalle vaatii 3.2 km/s nopeusmuutoksen ja siirtyminen edelleen matalalle Marsia kiertävälle radalle noin 2.5 km/s lisää, jos ilmajarrutusta ei käytetä hyväksi. Itse asiassa seuraavaa Mars-matkaa ajatellen siirtoalus kannattaisi jättää korkealle Maan kiertoradalle, jossa se voidaan tankata asteroidiperäisellä polttoaineella kuten Marsissa. Miehistö saadaan Maahan joko Apollo-tyyppisellä paluukapselilla tai esimerkiksi ISS:n kautta käyttäen erillistä yhteysalusta. Tällöin siirtoalus voidaan nostaa alun perin miehittämättömänä matalalta radalta korkealle kiireettömästi sähköpropulsiolla tai se voidaan tankata nostoa varten matalalla radalla Maasta tuodulla polttoaineella (tarvittava happi voitaisiin periaatteessa kaapata yläilmakehästä). Jos polttoaineena on vety-happiyhdistelmä, 2.5 km/s manöövereitä varten tankatun aluksen massasta 43 prosenttia on oltava polttoainetta. Jos vaatimus on 3.2 km/s, polttoaineen osuus nousee 51 prosenttiin. Kumpikin massasuhde on kohtuullinen.

Välitankkaus Marsin kiertoradalla alentaa kustannuksia ratkaisevasti, sillä ilman välitankkausta siirtyminen matalalta Maan kiertoradalta Marsin kiertoradalle ja takaisin vaatisi huiman 11.4 km/s nopeusmuutoksen. Vaikka käytettäisiin termistä ydinrakettia, ajoainetta (vetyä) tarvittaisiin silti 74 prosenttia lähtöpainosta. Noin suuri vetymäärä olisi ongelmallinen, koska vedyn säilöminen vaatii enemmän oheismassaa (lämpöeristeitä ja aktiivista jäähdytystä) kuin muiden ajoaineiden. Kemiallisessa vety-happiraketissahan vedyn massahan on tyypillisesti vain seitsemäsosa polttoaineen kokonaismassasta, loput on nestehappea jonka säilöminen on vetyyn verrattuna helppoa. Itse asiassa välitankkausta käyttämällä metaaninkin ominaisimpulssi riittäisi Mars-matkailuun ja voisi olla harkinnan arvoinen vaihtoehto nestevedylle, jos Phobokselta tai asteroideilta löydetään kätevässä muodossa olevia hiiliyhdisteitä. Välitankkaus Marsin kiertoradalla antaisi samalla myös mahdollisuuden täydentää miehistön tarvitseman käyttöveden ja hengityshapen varastot paluumatkaa varten, mikä pienentäisi lähtöpainoa edelleen. Vaikka lennolla pyritäänkin kierrättämään näitä aineita, täydelliseen kiertoon ei ainakaan ISS:llä ole vielä päästy.
Sähköpurje voisi kuljettaa Marsiin huoltomoduuleita odottamaan astronautteja.
Lähde: Wikipedia/NASA
Jos vähittäiseen Mars-infrastruktuurin rakentamiseen ryhdytään, planeetan pinnalle tai kiertoradalle etukäteen vietävät hyötykuormat ovat potentiaalisia sähköpurjeen asiakkaita, kunhan yksittäisen kuorman massa eli ylitä muutamaa tonnia. Toimiakseen sähköpurje vaatii noston Maan magnetosfäärin ulkopuolelle, mutta sinne päästyään alus pystyy ottamaan kurssin haluttuun aurinkokunnan kohteeseen riippumatta planeettojen asennosta. Mikä tahansa väline joka nostaa hyötykuorman pakoradalle, Kuun kiertoradalle, Lagrangen pisteeseen tai korkealle ellipsiradalle kelpaa laukaisimeksi sähköpurjehyötykuormalle. Kantoraketin rataa ja laukaisuhetkeä ei tarvitse räätälöidä lentämään kohti Marsia, sillä riittää että radan lakipiste on riittävän korkealla niin että sähköpurje pääsee aurinkotuuleen. Jos kapasiteetti riittää, samalla kantoraketilla voidaan laukaista useita sähköpurjehyötykuormia, jotkut menossa Marsiin, toiset Jupiteriin, kolmannet asteroideille ja niin edelleen.

Kuten sähköpurje, myös sähköpropulsio (Hall-moottori tai ionimoottori) on laukaisun suhteen melko joustava, ja aloitukseen riittää periaatteessa matalakin kiertorata. Kun käytetään sähköpropulsiota, siirtyminen matalalta Maan kiertoradalta matalalle Marsin radalle vaatii 14 km/s nopeusmuutoksen. Luku on suurempi kuin kemiallisten rakettien tapauksessa, koska jatkuvan propulsion on vaikea hyödyntää niin sanottua Oberthin efektiä. Jos ominaisimpulssi on sähköpropulsiolle tyypillinen 30 km/s, 14 km/s nopeusmuutos tarkoittaa että lähtöpainosta 38 prosenttia on ajoainetta. Moottorin ominaisimpulssia kasvattamalla ajoaineen määrä pienenisi, mutta toisaalta tehontarve ja aurinkopaneelien koko kasvaisivat. Liikuttaessa sähköpropulsiolla Maasta Marsiin propulsiojärjestelmän massa siis nousee helposti puoleen kokonaismassasta, eikä tarvittavan ison aurinkopaneeliston hankintahintakaan ole vailla merkitystä. Sähköpurjeella päästään pienempään lähtöpainoon, joten sen käyttäminen näyttää järkevältä.

Vaikka kymmeniä tonneja painavan miehitetyn aluksen kuljettaminen Marsiin ja takaisin ei nyt kehitystyön kohteena olevilla sähköpurjeilla onnistukaan suoraan, voi sähköpurjetta käyttää miehitetyn Mars-toiminnan ennakkovalmisteluissa ja tukitoiminnoissa, kuten yllä nähtiin. Sähköpurje olisi erityisen tehokas veden keräämisessä asteroideilta Marsin tai Maan kiertoradalle, minkä mahdollistama välitankkaus pienentäisi miehitetyn aluksen lähtöpainoa ratkaisevasti. Pienen tauon jälkeen amerikkalaiset näyttävät taas alkaneen kehittää miehitettyjä lentoja varten uutta järeää kantorakettia, mutta välitankkausta käyttämällä pärjättäisiin ehkä nykyisillä Ariane-5:n kokoisilla kantoraketeilla.

Voisiko miehitetyn hyötykuorman kuljetus Marsiin sitten olla mahdollista sähköpurjeella joskus tulevaisuudessa? Kenties, mutta se edellyttäisi nykyisten alumiiniliekojen korvaamista paremmalla materiaalilla, kuten hiilinanoputkilla.

Pekka Janhunen

tiistai 10. huhtikuuta 2012

Aurinkotuulitestimissio SWEST


Aurinkotuulipurje on kotonaan vapaassa aurinkotuulessa,
Maan magneettikentän vaikutusalueen ulkopuolella. Kuva: NASA
Sähköpurjekolumni 10.4.2012 

 Haemme mahdollisuutta toteuttaa sähköpurjeen aurinkotuulitestimissio. Vaihtoehtoja on suurehko määrä. Esimerkiksi voidaan rakentaa tavallinen satelliitti, jonka tehtävänä on pelkästään sähköpurjeen testaus. Tästä tehtiin viime syksynä EU-hakemus SWEST, joka ei kuitenkaan mennyt läpi. Italialaiset yrittävät nyt saada sitä läpi eri reittiä. Sähköpurjekoe voitaisiin myös asentaa osaksi jotakin toista satelliittia. Pidin tästä esityksen maaliskuussa ESA:n GSTP6-kokouksessa.

Kaikissa tapauksissa on lisäksi vaihtoehtoina käyttää pelkkiä liekoja, liekojen päissä olevia etäyksiköitä tai etäyksiköitä ja apuliekoja. Jos käytetään pelkkiä liekoja, satelliitissa täytyy olla propulsiojärjestelmä jolla tuotetaan liekojen avaamiseen tarvittava liikemäärämomentti. Jos lieat ovat 250 m pitkiä ja niitä on neljä, siihen riittää esimerkiksi sata grammaa butaania. Tätä lyhyempiä liekoja ei aurinkotuulikokeessa kannata käyttää, koska jännitteellisinä niiden ympärille muodostuva elektronivyöhyke on jo itsessään satakunta metriä leveä. Jos käytetään etäyksiköitä, nekin tarvitsevat propulsiota avausvaiheessa, mutta vähemmän koska niiden voiman varsi on liean mittainen. Etäyksikön propulsiona on tutkittu butaanimoottoria, FEEP-moottoria ja pientä fotonipurjetta.

Aurinkotuulitestimission voisi todennäköisesti tehdä kuutiosatelliitillakin, jos sen saisi jollakin keinolla aurinkotuuleen. Tähän mennessä kuutiosatelliitteja on laukaistu vasta LEO-radalle, mutta kaavailuja GTO-laukaisuista ja jopa Kuun radalle menevästä laukaisusta on näkynyt. On periaatteessa mahdollista rakentaa kuutiosatelliittiin propulsiojärjestelmä, joka pystyy nostamaan sen GTO-radalta aurinkotuuleen.

LEO, GEO ja GTO. Kuva: Basura
Yksi tällainen mahdollisuus voisi olla Cornellin yliopiston käynnistämä hanke kuutiosatelliittiin mahtuvan elektrolyysipropulsion rakentamiseksi. Elektrolyysipropulsiossa ajoaineena on vesi, jota satelliitti hajottaa elektrolyysillä vedyksi ja hapeksi käyttämällä aurinkopaneelien antamaa tehoa. Kaasut kerätään välivarastoon painesäililöihin, jotka tyhjennetään polttamalla rakettimoottorissa kun halutaan työntövoimaa.

NASA ja USA:n ilmavoimat tutkivat elektrolyysipropulsiota 1990-luvulla, mutta luopuivat leikistä jossain vaiheessa. Olen noin 5 vuotta puhunut elektrolyysipropulsion puolesta eri yhteyksissä, joten oli mukava kuulla että Cornell on tarttunut asiaan. Elektrolyysipropulsion ominaisimpulssi on parempi kuin hydratsiinilla ja lisäksi päästään eroon myrkyllisestä ja räjähdysherkästä aineesta. Haittana on ratanostoon kuluva muutaman kuukauden aika, joka on kuitenkin lyhyempi kuin ionimoottoreilla. Elektrolyysipropulsio ei tosin taivu pitkään yhtenäiseen polttoon, joten se ei toimi planeettaluotaimen perinteisen tyylisessä lähettämisessä. Mutta planeettaluotaimethan voivat käyttää sähköpurjetta heti noustuaan aurinkotuuleen. Ehkä tulevaisuudessa satelliitteja siirtelevät elektrolyysialukset tankkaavat asteroideilta peräisin olevaa vettä, joka on tuotu maan kiertoradalle sähköpurjeilla.

Jos GTO-kuutiosatelliittilaukaisuja on tulossa, sähköpurjeen aurinkotuulitestimissiossa meidän täytyy nousta vain GTO-radalta aurinkotuuleen, johon tarvittava impulsiivinen delta-v on noin 500 m/s. Siihen saattaisi riittää ESAIL-hankkeessa kehitettävä butaanimoottori, jos satelliitin muut osat saadaan keveiksi tai jos käytettävissä on isompi kuin kolmen yksikön kuutiosatelliitti.

Pekka Janhunen

sunnuntai 8. huhtikuuta 2012

Irti rakettiyhtälöstä ajoaineettomilla propulsiomenetelmillä

Rakettiyhtälöstä on avaruustoiminnassa iso haitta. Katsaus ajoaineettomiin menetelmiin on siis paikallaan. Avaruuskelpoinen tyhjiöpumppu ja muuta jännää on luvassa.

Fotonipurje

Aurinkopurje on laaja ja ohut heijastava kalvo, joka pysyy auki keskipakoisvoiman tai pitkien tankojen avulla. Jos halutaan hyvä suorituskyky, kalvon pitäisi olla varsin ohut. Fotonipurje toimii kaikkialla missä aurinko paistaa, mutta työntövoima vähenee auringosta mitatun etäisyyden neliössä. Alle noin 700 km korkeudella ilmanvastus voittaa säteilypaineen, joten fotonipurje on nostettava korkeammalle aloitusradalle.
Oma näkemykseni on että pyörivät heliogyro-tyyppiset purjeet olisivat levypurjeita kiinnostavampia, koska niissä kalvoja ei tarvitse taitella vaan ainoastaan rullata, koska niiden työntövoiman suuntaa ja suuruutta voidaan säätää monipuolisemmin ja koska purjekalvot saadaan kauemmas pääaluksesta niin että ne eivät häiritse radioliikennettä ja tiedeinstrumentteja.

Sähköpurje

Sähköpurje koostuu ohuista varatuista metallilangoista, jotka poikkeuttavat aurinkotuulen protoneja suunnastaan ja siten saavat niiltä liikemäärää. Sähköpurje toimii kaikkialla minne aurinkotuuli puhaltaa, eli kaikkialla aurinkokunnassa paitsi Maan ja jättiläisplaneettojen magnetosfäärien sisällä. Työntövoima vähenee kääntäen verrannollisena auringosta mitattuun etäisyyteen eli hitaammin kuin fotonipurjeella. Työntövoiman suuntaa voidaan säätää hieman rajoitetummin kuin fotonipurjeessa, mutta toisaalta sen suuruutta voidaan säätää rajattomasti nollan ja maksimiarvon välillä. Arvioiden mukaan sähköpurjeen työntövoima suhteessa laitteen painoon on huomattavan suuri. Työntövoimaa ei tosin pystytä arvioimaan kovin tarkasti teoreettista tietä ja työntövoimamittausta aurinkotuulessa ei ole vielä tehty.

Sähködynaaminen lieka

Sähködynaamisella liealla voi nostaa tai laskea LEO-satelliitin rataa. Jos rataa nostetaan, laite kuluttaa sähkötehoa, jos sitä lasketaan, se toimii generaattorina. Jos lieka on painovoimastabiloitu eli roikkuu satelliitista kohti maata tai maasta poispäin, laite toimii kuvatulla tavalla vain päiväntasaajaradalla, koska muilla radoilla liekaan kohdistuva magneettinen voima muuttaa myös radan inklinaatiota. Jos lieat pyörivät kuten sähköpurjeessa, sitä voi käyttää monipuolisemmin myös muilla kiertoradoilla.
Peikkona sähködynaamisessa lieassa on että jos lieka katkeaa, irronneesta pätkästä tulee ikävä avaruusromu, joka tosin putoaa alas tyypillisiä satelliitteja nopeammin. Mitä matalampi ratakorkeus, sitä pienempi ongelma tämä on.
Sähköstaattinen lieka eli plasmajarru on niin ohut että se ei uhkaa muita satelliitteja. Menetelmä sopii pieniin satelliitteihin ja nimensä mukaisesti sillä voi vain jarruttaa, ei kohottaa rata. Plasmajarrun käyttämä fysikaalinen periaate on läheistä sukua sähköpurjeelle.

Asteroidivesi

Hiiliasteroidit sisältävät vesijäätä, jota on periaatteessa suoraviivaista louhia lämmittämällä. Vettä voitaisiin kuljettaa maan kiertoradalle sähköpurjeilla. Jos vesipitoinen asteroidi on riittävän lähellä Maata, rakettityypisetkin propulsiomenetelmät saattaisivat olla riittävän taloudellisia. Maan kiertoradalla vettä voidaan tankata elektrolyysipropulsioalukseen, joka sitten pystyy siirtelemään satelliitteja radalta toiselle. MEO- ja GEO-radat ovat valitettavasti välialuetta, joka on elektrodynaamiselle liealle liian korkea ja sähköpurjeelle liian matala. Ajoaineettomista menetelmistä siellä toimii vain fotonipurje, joka on kuitenkin varsin hidas eikä toimi ilmanvastuksen takia matalimmilla radoilla. Elektrolyysiraketit olisivat satelliittien siirtelyyn sangen hyödyllisiä, kunhan halpaa asteroidivettä olisi saatavissa kiertoradalla. Siirto niillä kestäisi tyypillisesti muutaman kuukauden, mikä on nopeampi kuin ionimoottorilla vaikkakin hitaampi kuin hydratsiinilla.

Ilmakehän ionimoottori

ESA:n GOCE-painovoimasatelliitti lentää matalalla ja ylläpitää ratakorkeuttaan ionimoottorilla. Ei tarvitsisi muuta kuin varustaa satelliitin keula muotoillulla aukolla ja tyhjiöpumpulla, niin se voisi imeä tarvitsemansa ajoaineen ilmakehästä. Konseptia on mietitty ESA:ssa. Hall-moottorin sisus on boorinitridiä, joten typen pitäisi kelvata ajoaineeksi ilman korroosio-ongelmaa. Hapen erottamiseen typestä on useita keinoja, tai ehkä ionimoottori sietää happeakin. Koska ionimoottorin suihkun nopeus on tyypillisesti 30 km/s, satelliitti tarvitsee vain osan keräämästään kaasusta radan ylläpitoon. Ylijäämä voidaan säilöä tankkiin joka mahdollistaa nousun ylemmälle radalla. Matalalla radalla satelliittiin kohdistuu merkittävä aerodynaaminen voima, joten satelliitti voi muuttaa myös inklinaatiotaan. Saadaan siis alus joka pystyy muuttamaan kiertorataansa rajattomasti, kunhan muistaa käydä välillä lentämässä matalalla radalla tankkaamassa. Sivutuotteena saadaan happea, jota voi käyttää kemiallisessa raketissa jos on tarpeen tehdä nopeampi manööveri. Poltettava aine joudutaan tosin silloin tuomaan muualta, todennäköisesti maasta.
Kuulostaa liian hyvältä ollakseen totta, joten jossain on varmaankin tekninen pullonkaula. Ehkä riittävän monta kuutiometriä sekunnissa siirtävä tyhjiöpumppu painaa liikaa.

Pekka Janhunen

perjantai 3. helmikuuta 2012

Etäyksikön suunnittelua


Remote Unit Component Design Review -kokouksen osallistujat Upsalassa 7.-8.11.2011.
Kuva: Sini Merikallio
Sähköpurjekolumni 3.2.2012 

EU-projektissa kehitettävässä sähköpurjeessa jokaisen liean päähän tulee niin sanottu etäyksikkö, jotka sidotaan toisiinsa rei'itetystä muovinauhasta tehdyillä apulieoilla. Varmuuden vuoksi kukin apulieka avataan kahdesta suunnasta eli jokainen etäyksikkö sisältää kaksi apuliekakelaa. Etäyksikössä on myös pieni rakettimoottori, jonka avulla sähköpurjetakila pannaan pyörimään samalla kun sitä avataan. Etäyksiköiden moottoreilla saatetaan myös säätää takilan pyörimisnopeutta myöhemminkin, jos tarve vaatii. Etäyksikön moottori on joko tavallinen kylmäkaasumoottori tai pieni FEEP-ionimoottori. Kumpaakin vaihtoehtoa kehitetään rinnakkain.

RU Component Design Review -kokouspöytä Upsalassa 9.-10.1.2012.
Kuva: Sini Merikallio
Etäyksikön suunnittelu on ollut varsin mielenkiintoinen insinööritehtävä. Päävastuun siitä kantavat ruotsalaiset, kun taas elektroniikkaa tulee Virosta, apuliekarullat Saksasta ja FEEP-moottori Italiasta. Mielenkiintoisen siitä tekee se että etäyksikön pitää pystyä toimimaan 0.9-4 AU:n etäisyyksillä auringosta ja toisaalta siitä halutaan tehdä mahdollisimman kevyt, mielellään alle puolikiloinen. Lämpösuunnittelua helpottaa se että etäyksikön auringon puoleinen sivu on aina sama, joskin 60 asteen kääntymä perusasennosta sallitaan. Auringon puolella on aurinkokennoilla päällystetty levy, jonka takana varjossa oleva laatikko sisältää elektroniikan ja muut lämpötilavaatimuksiltaan kriittiset osat. Jos laatikosta kytkettäisiin sähköt pois, se jäähtyisi hitaasti varsin matalaan lämpötilaan, mutta melko pieni teho riittää pitämään sen sisälämpötilan halutuissa rajoissa. Tämä teho saadaan aurinkopaneeleista myös 4 AU:n etäisyydellä.

RU Component Design Review -kokouspöytä Upsalassa. Petri Toivanen on iloisella tuulella.
Kuva: Sini Merikallio
Etäyksikön suunnittelu on ollut mielenkiintoista, koska se ei ole vain laatikko johon tarvittavat komponentit ladotaan, vaan laitteen muotoon vaikuttavat hyvin monet eri tekijät. Esimerkiksi laitteen painopiste ei saa siirtyä liikaa kun kylmäkaasumoottorin tai FEEP-moottorin ajoaine kuluu eikä moottorin melko leveä suihku saa osua laitteen mihinkään osaan eikä etenkään apu- tai pääliekaan. Painopisteen täytyy myös pysyä selvästi apuliekojen kiinnityskohdan ulkopuolella, koska muuten yksikkö voisi kiepsahtaa ympäri lennon aikana jolloin aurinkopaneeli jäisi varjoon. Aurinkosuojan täytyy estää auringonvalon osuminen elektroniikkalaatikkoon myös 60 asteen kallistuskulmalla, joten laatikosta tehtiin mahdollisimman matala ja aurinkosuojan reunat taivutettiin sisäänpäin. Laitteen pitää olla riittävän tukeva kestääkseen laukaisutärinän ollessaan kiinnitettynä pääaluksen kylkeen, mutta toisaalta elektroniikkalaatikon ja aurinkosuojan välisten kiinnikkeiden täytyy olla riittävän hennot, jotta ne eivät muodosta jäähdyttävää lämpösiltaa 4 AU:ssa. Ratkaisu oli ripustaa elektroniikkalaatikko ja apuliekarullat erikseen pääalukseen, jolloin mainittujen hentojen kiinnikkeiden riittää kantaa laukaisutärinän aikana vain suhteellisen kevyen aurinkosuojalevyn värähtelevä massa. Näin kiinnikkeet saatiin ohuemmiksi ja niiden lämpövuodot pienemmiksi, mikä vähensi tehonkulutusta 4 AU:ssa ja teki siten mahdolliseksi pienentää ja keventää aurinkopaneelia ja aurinkosuojaa, jolloin kiinnikkeet saatiin entistäkin ohuemmiksi. Laite keventyi tämän ansiosta yli kilosta nykyiseen 550 grammaan.

Pekka Janhunen

Tästä videosta käy ilmi etäyksiköiden rooli.

tiistai 24. tammikuuta 2012

Kylmäfuusion paluu

Kylmäfuusio on fysiikassa kiistanalainen ilmiö tai ilmiöryhmä, jossa metalliin joutunut vety aiheuttaa ydinreaktioita, jotka tuottavat lämpöä ja usein myös jonkin verran säteilyä. Kylmäfuusio tuli julkisuuteen vuonna 1989 kun Fleischmann ja Pons julkaisivat tuloksia palladium-deuteriumkokeistaan. Monet yrittivät toistaa kokeen, jotkut onnistuivat ja ilmeisesti useimmat epäonnistuivat. Asetettiin komitea, joka päätyi tulokseen että kiistatonta näyttöä ilmiön puolesta ei ollut. Useimmat tutkijat asettuivat sille kannalle että kylmäfuusio ei ollut todellinen ilmiö vaan joukko mittausvirheitä. Johtopäätöstä todennäköisesti tuki se että kylmäfuusion selittäminen teoreettisesti näytti ja näyttää edelleen vaikealta.

Yksi niistä jotka 20 vuotta sitten eivät onnistuneet toistamaan Fleischmann-Pons -koetta oli italialainen insinööri ja liikemies Andrea Rossi. Hän päätteli, että ilmiö on todellinen mutta vaikeasti toistettavissa ja että palladium ja deuterium pitäisi korvata halvemmilla aineilla, jotta prosessilla olisi kaupallista merkitystä. Lisäksi elektrolyysistä eli veden läsnäolosta pitäisi päästä eroon, koska muuten tuotettu lämpö olisi liian haaleaa soveltuakseen järkevästi sähköntuotantoon. Rossi korvasi palladiumin sen sukulaisaineella nikkelillä, deuteriumin tavallisella vedyllä ja elektrolyysin paineistetulla vetykaasulla. Maksimoidakseen pinta-alan hän käytti hienoa nikkelijauhetta, koska useimmissa kylmäfuusiokokeissa reaktio näytti tapahtuvan metallipinnan lähellä. Kylmäfuusion jälkeen otetuissa elektronimikroskooppikuvissa näkyykin usein metallipintaan tulleita pieniä kraattereita, joissa metalli on paikallisesti sulanut, ja kraatterien poksahtelua on myös onnistuttu kuulemaan akustisella mikrofonilla. Kraattereista löydetään tyypillisesti myös pieniä määriä alkuperäiselle näytteelle vieraita alkuaineita, mikä on yksi todiste ydinreaktioista.
Andrea Rossi keksintönsä vierellä.
Rossi rupesi kokeilemaan missä olosuhteissa nikkeli-vetyfuusio voisi syttyä mm. erilaisilla kemiallisilla lisäaineilla. Ilmeisesti tuhansien kokeiden jälkeen hän lopulta pääsi haluamaansa tulokseen: reaktio käynnistyi melko luotettavasti ja oli niin voimakas että nikkelijauhe suli ellei lämpöä johtanut tehokkaasti pois. Reaktio jatkui päiväkausia, ilmeisesti lopulta yli puoli vuotta. Ainakin toistaiseksi sitä tosin täytyy pitää yllä tuomalla aika ajoin reaktoriin pienehkö määrä lisälämpöä sähkövastuksella.

Useat professorit, tutkijat ja muutama toimittaja ovat nähneet Rossin E-cat -laitteet toiminnassa. Joissakin esittelyissään Rossi on myös antanut heidän tehdä omia mittauksiaan tuotetusta lämpömäärästä sekä gammasäteilystä, jota laite jonkin verran tuottaa jos sen lyijykuoret poistetaan. Järeimmässä demonstraatiossa 28.10.2011 oli sata rekkakonttiin asennettua E-catia, jotka tuottivat yhteensä 500 kW lämpötehon. Kaikkiaan Rossi on demonstroinut laitteitaan kymmenkunta kertaa erilaisille yleisöille.

Voisivatko Rossin demonstraatiot olla huijausta? Erilaisia huijausspekulaatioita on Internet väärällään, mutta asiaan perehtymisen jälkeen johtopäätökseni on, että huijausteoriat eivät ole uskottavia vaan reaktori toimii ainakin likimain väitetyllä tavalla. Rossista riippumatta myös Francesco Piantelli on saanut nikkeli-vetyfuusion toimimaan jo 1990-luvulla, mutta ei ilmeisesti ole yhtä pitkällä kaupallistamisessa. Kylmäfuusiota ei osata selittää teoreettisesti, mutta se ei ole kiinteän olomuodon fysiikassa uutta: esimerkiksi suprajohtavuus löydettiin kokeellisesti 1911 ja selitettiin vasta 1957 (välissä piti keksiä mm. kvanttimekaniikka), eikä niin sanottua korkean lämpötilan suprajohtavuutta osata selittää kunnolla vieläkään.

Kreikkalaisen Defkalion-yrityksen oli määrä kaupallistaa Rossin tekniikka, mutta elokuussa 2011 osapuolet riitaantuivat ja nykyään Defkalion ja Rossi ovat kilpailijoita. Defkalion ei ole antanut kuvata laitteitaan, mutta on julkaissut niistä parikymmentä sivua teknisiä tietoja. Defkalion julkaisi 23.1 2012 tiedotteen, jonka mukaan halukkaat tutkimuslaitokset ja yritykset ovat tervetulleita Ateenaan ajamaan Hyperion-reaktoria 48+48 tunnin testissä ja julkaisemaan saamansa testitulokset vapaasti. Rossi puolestaan kertoo suunnittelevansa automatisoitua tehdasta, jonka pitäisi käynnistyä 2012 lopulla ja joka tuottaa vuodessa miljoona kotikäyttöön tarkoitettua 10 kW laitetta 400 € vähittäishintaan. Rossin reaktorin ohjausjärjestelmän tekee LabView-ohjelmistosta tunnettu National Instruments, joka vahvisti tiedon 10.11 2011.

E-catin kaupallistettu versio voisi näyttää tältä. Kuva: Leonardo
Vaikka joukkotiedotusvälineet ovat olleet asiasta melko hiljaa, näyttää siltä että Andrea Rossi on tehnyt jättiläismäisen keksinnön: hän on kehittänyt kätevän jokamiehen ydinreaktorin, joka ei käytä eikä tuota radioaktiivisia aineita ja on halpa valmistaa. Ensimmäisen sukupolven Rossin laitteet tuottavat vain lämpöä ja tarvitsevat siihen jonkin verran sähköä, mutta toisen sukupolven laitteet tuottavat jo sähköä ja lämpöä itsenäisesti. Laitteet ovat halpoja ja niistä voi rakentaa täydellisen LVIS-järjestelmän, joka tuottaa lämmityksen, lämpimän käyttöveden, ilmastoinnin ja sähkön. Puolen vuoden käytön jälkeen reaktoreihin pitää lisätä nikkelijauhetta ja vetyä, Rossin asiakkaat voivat tehdä sen itse 10 € hintaisella vaihtokasetilla. Rossi lupaa reaktorille 20 vuoden käyttöiän. Kotien lisäksi kylmäfuusioreaktorit tulevat laivojen konehuoneisiin ja rautateille, joiden sähköistys jää tarpeettomaksi, kuten ehkä muukin sähkönsiirtoverkko. Henkilöautosovellusta pitää odottaa noin 10 vuotta (Rossin arvio), ja sen jälkeen on varmaankin lentokoneiden vuoro. Kylmäfuusiolentokoneen toimintasäde on rajaton, joten ei tarvita erikseen pitkien ja lyhyiden matkojen koneita.

Nykyiset energiantuotantotavat jäävät tarpeettomiksi, tosin öljyä käytetään vielä melko pitkään mm. muovien ja asfaltin valmistukseen. Vesivoimalat voidaan purkaa ja joet ennallistaa, jolloin Kemijoesta voi jälleen tulla Euroopan suurin lohijoki. Kasvihuoneviljely lisääntyy Pohjolassa, ja Pohjois-Afrikan ja Arabian niemimaan rannikkoalueet saadaan keinokastelulla viljaviksi erottamalla suola merivedestä. Viljely keinovalon avulla pilvenpiirtäjien sisällä saattaisi tehdä suurkaupungeista ravinnon suhteen osittain omavaraisia. Paljon energiaa vaativien, mutta muuten helposti saatavien raaka-aineiden käyttö tulisi kannattavaksi, esimerkiksi tavallinen graniitti on pääasiassa piitä ja alumiinia, jotka ovat hyviä rakennemateriaaleja. Tulevaisuuden kaivostoiminnan etiikka saattaa olla samantapainen kuin paimentolaiskansojen suhde eläimiinsä: kun kivi ”tapetaan”, se käytetään hyödyksi kokonaan. Tällöin ei tarvita enää paljonkaan perinteisiä kaivoksia, vaan raaka-aineet otetaan siitä maaperästä, jonka päällä toimitaan. Harvinaisia alkuaineita saatetaan tuottaa kylmäfuusion sivutuotteena tapahtuvan ydinten transmutaation kautta. Nikkeliä eli Rossin reaktorin ydinpolttoainetta tarvitaan, mutta kun Talvivaaran kaivos joskus ehtyy, niin 200-kilometrisellä metalliasteroidi Psychellä riittää nikkeliä miljardeiksi vuosiksi.

Konseptipiirros fuusioraketista saapumassa Marsiin. Kuva: Wikipedia
Kylmäfuusiokantorakettien rakentaminen lienee vaikeaa, koska tarvittava lämpötila on korkea ja tehotiheys suuri, mutta NASA:n tulevaisuusvisioissa sellaisiakin esiintyy. Kylmäfuusio tuntuisi ratkaisevan useimmat ongelmamme, mutta ei sitä että maapallo on rajallinen ja sen asukkaat riitaisia ja liialliseen lisääntymiseen taipuvaisia. Planeetan rajallisuuteen ainoa ratkaisu on avaruus, ja sinne katseet tulevat kääntymään, kunhan tietoisuus Rossin keksinnöstä saavuttaa laajemmat kansankerrokset. Riippumatta siitä miten vankasti asiaan tässä vaiheessa uskoo, jokainen voi yhteiskunnassa toimia siihen suuntaan että keksinnön oikeaksi osoittaminen ja käyttöönotto tapahtuisi rauhanomaisesti, mahdolliset ongelmat järkevästi huomioiden sekä viivytyksiä ja ylilyöntejä välttäen.

Pekka Janhunen

maanantai 14. marraskuuta 2011

Aurinkotuulitestimission suunnittelua

Sähköpurjekolumni 14.11.2011

Suunnittelemme sähköpurjeen aurinkotuulitestimissiota. Kuudenkymmenen kilogramman painoinen 60x60x71 cm kokoinen satelliitti laukaistaan esimerkiksi Arianen tai Souyzin oheishyötykuormana GTO-radalle, josta radan lakipiste nostetaan Hall-moottorilla puoleen Kuun etäisyyteen eli aurinkotuuleen. Satelliitista avataan neljä kilometrin mittaista ohutta liekaa. Liekojen päissä on parin gramman painoinen massa, johon keskipakoisvoima tarttuu avaamisen alussa suoristaen liean. Etäyksiköitä tai apuliekoja ei käytetä, koska testimission lieat ovat riittävän "lyhyitä" ja keveitä, jotta systeemi pysyy dynaamisesti vakaana ilman niitä. Vakauskriteeri on että jos yksi lieoista poistetaan, jäljelläolevan systeemin (satelliitti ja kolme liekaa) massakeskipisteen täytyy pysyä reilusti satelliitin seinämien sisäpuolella. Koska lieka pyrkii asettumaan säteittäisesti massakeskipisteestä poispäin, tällöin lieat pysyvät ojennuksessa eivätkä törmää toisiinsa tai hankaa satelliitin kuorta vasten, vaikka osa niistä katkeaisi.
Altan Hall-moottori testiajossa. Kuva: Sini Merikallio
Käytämme radan kohottamiseen Hall-moottoria. Jos käytettäisiin kemiallista rakettia, pitäisi todistaa laukaisufirmalle että raketti ei syty vahingossa ja tuhoa miljardien arvoista päähyötykuormaa. Hall-moottorissa vaaraa ei ole koska ajoaineena on jalokaasu ksenon.

Haemme rahoitusta testimission rakentamiseen EU:lta. Kustannusarvio on kaksi miljoonaa ilman laukaisua. Satelliitin rakentaa pääosin italialainen Alta-firma ja lento on samalla Altan Hall-moottorin lentotesti. Varmuuden vuoksi Hall-moottoreita on mukana kaksi, ja jos kumpikaan ei toimisi, pahin mitä tapahtuu on että jäämme GTO-radalle. Voimme sielläkin avata lieat, varata ne ja todeta että näemme kärkimassat kameroilla. Toki emme silloin pääse mittaamaan sähköpurje-efektiä oikeassa plasmaympäristössä eli aurinkotuulessa, mutta seuraavaa kertaa varten tiedämme että kaikki muu jo toimii. Käytännössä vaara molempien moottoreiden täydellisestä pettämisestä on melko teoreettinen.

Pekka Janhunen ja Petri Toivanen tutustumassa Altan Hall-moottoreiden
testaukseen Pisassa, Italiassa. Kuva: Sini Merikallio
Lopuksi vähän Rossin reaktorista. Lokakuun lopulla Andrea Rossi myi ensimmäisen 1 MW fuusioreaktorin amerikkalaiselle asiakkaalle, joka ei halua N:llä alkavaa nimeään julkisuuteen. Reaktorin käyttöönottotestissä paikalla olleiden toimittajien mukaan testimittaukset suoritti asiakasorganisaation palkkaama ryhmä. Muutkin yhteisöasiakkaat voivat nyt ostaa rekkakonttiin rakennettuja reaktoreita. Hinta on 2 miljoonaa, toimitusaika 3 kuukautta, latausväli puoli vuotta, takuu 2 vuotta ja suunniteltu toiminta-aika 20 vuotta. Toimiakseen laite vaatii sähkötehon joka on kuudesosa tuotetusta 1 MW lämpötehosta. Vaihtoehtoisesti laitteen voinee myös konfiguroida toimimaan ilman sähkötehoa, jos tyytyy pienempään lämpötehoon. Asiakas saa testata tuotteen ja kauppa peruuntuu jos ja vain jos testi ei mene läpi. Pienempiäkin kokoonpanoja Rossi saattaa suostua myymään, ei kuitenkaan alle 100 kW tehoisia. Halvimmillaan voisi siis päästä toteamaan nikkelifuusion toimimisen parinsadan tuhannen euron sijoituksella, ilman riskiä että tulee huijatuksi. Laitetta ei saa jälleenmyydä eikä avata, joten sen toimintaperiaatetta ei voi tutkia.
Kuva vuodelta 2013.
Myynnissä on siis suuria ja ilmeisesti toimivia energiantuotantolaitteita, joiden toimintaperiaatetta tiede ei tunne.