Ensimmäinen E-sail väitös: aiheena sähköpurjeliean valmistus

Henri Seppänen väittelee tiistaina 10.3. klo 12 osoitteessa Siltavuorenpenger 1A, auditorio A132 (eli entisen fysiikan laitoksen sali 1; tuossa vanhassa tiilirakennuksessa toimii nykyään yliopiston psykologian laitos). Vastaväittäjänä toimii Jörg Wallaschek. Väitöskirjan aihe "Ultrasonically manufactured space tether" liittyy sähköpurjeliean valmistukseen. Henrin johdolla valmistettiin vuonna 2012 maailman ensimmäinen 1 km pituinen sähköpurjelieka Helsingin yliopiston Elektroniikan tutkimuslaboratoriossa.

Kyseessä on samalla ensimmäinen, mutta tuskin viimeinen, sähköpurjeaiheinen väitös!

Sähköpurjetiimi toivottaa Henrille tsemppiä väitökseen!

Henri Seppänen valmiina väitökseen!

 ---

Henri Seppänen will defend his PhD thesis "Ultrasonically manufactured space tether" on Tuesday March 10th 2015, at noon in lecture hall Psychologicum Auditorio A132 (ent sali 1) at the University of Helsinki, Siltavuorenpenger 1A. The invited faculty opponent is Professor Jörg Wallaschek.

Henri Seppänen is the original Mr. Tether Factory, he was at helm when the world's first 1 km long E-sail tether was successfully produced as part of the ESAIL FP7 project in 2012.

Good luck Henri!!

Sähköpurjekolumni 33

Sähköpurjekolumni 7.2.2015

ESTCube-1:ssä on kaksi postimerkin kokoista ja melkein yhtä litteää 500 voltin elektronitykkiä. Tykissä on katodi jonka nanografiittipinnassa olevien terävien grafeeniharjanteiden kohdalla sähkökenttä vahvistuu niin isoksi että harjanteista irtoaa elektroneja. Sähkökentän muodostaa hyvin lähellä katodia oleva metallinen anodiverkko. Tämä melko eksoottinen rakenne valittiin, koska ESTCube-1:n kokoisessa 1-U satelliitin tehobudjetti ei riitä perinteisen hehkukatodin käyttämiseen. Tykit rakensi Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorio.

ESTCube:n elektronitykkejä koekäytettiin tammikuussa. Ensimmäinen tykki ei antanut mitään elonmerkkiä eikä kuluttanut lainkaan tehoa. Todennäköisesti tykin liitin on irronnut laukaisutärinän takia. Toinen tykki sen sijaan toimi. Sitä käytettiin kolmeen otteeseen radan eri kohdissa. Neljännellä yrityksellä tykki ei kuitenkaan enää toiminut vaan näytti menneen oikosulkuun. Oikosulun syynä saattaa olla esimerkiksi mikrometeoroidi joka on osunut anodiverkkoon ja repäissyt sitä niin että jokin irtonainen metallilanka koskettaa vieressä olevaa katodia.

Nyt tiedetään että Jyväskylän kylmäkatoditykki voi toimia avaruudessa ja kestää suojaamattomana ainakin 20 kuukauden ajan LEO-radan atomaarisen hapen kemiallista rasitusta. Tämä on hyvä uutinen ainakin Aalto-satelliitin kannalta, johon tulee neljä samantapaista elektronitykkiä. Aalto-1:n tykeissä käytetään kaksinkertaista eli yhden kilovoltin jännitettä. Tämä vähentää oikosulun riskiä, koska katodin ja anodin välinen etäisyys on kaksinkertainen.

NASA on kiinnostunut sähköpurjeesta ja on alkanut puhua aurinkotuulitestimissiosta ja sähköpurjeen käytöstä heliopausin läpi lentämiseen. Marshall Space Flight Centerin Bruce Wiegmann piti sähköpurjeesta 29.1.2015 NIAC-kokouksessa puolen tunnin pituisen esitelmän. Yleisönä oli mm. NASA:n pääteknologi Ellen Stofan ja SETI:stä ja Draken yhtälöstä tunnettu Frank Drake. En ollut tuossa Floridan NIAC-kokouksessa paikalla, mutta vierailin Marshallissa joulukuussa. Olen heidän NIAC-hankkeessaan mukana ulkoisena asiantuntijana. Brucen esitelmän voi katsoa videona aiemmasta sähköpurjeblogituksesta.

Sähköpurje-esitelmä NASA NIAC-symposiumissa

NASA Marshall Space Flight Center tutkii myös sähköpurjetta saamansa NIAC-apurahan turvin. NIAC eli NASA Innovative Advanced Concepts on NASA:n toimisto joka tutkii ja rahoittaa innovatiivista avaruustutkimusta USA:ssa. Marshallin Bruce Wiegmann piti aiheesta NIAC:in seminaarissa puolen tunnin (20 min esitys, 12 min kysymykset) esityksen jonka voi katsoa videolta jälkikäteen osoitteesta http://new.livestream.com/viewnow/NIAC2015/videos/75333785. Tuossa videossa on kolme esitelmää ja meidän on viimeinen eli kelaa video ensin kohtaan 1:01:45. [Jos videolinkki ei toimi suoraan vaan heittää NIAC-esitelmien pääsivulle http://new.livestream.com/viewnow/NIAC2015/, hae sivulta kolmas video ylhäältä (keltainen, KRAKEN MARE) ja mene siinä tuohon kohtaan 1:01:45.]
Kohdassa 1:23:10 Frank Drake yleisön joukosta kommentoi että (kuten tunnettua) liekojen keskinäisen repulsion pitäisi auttaa niiden pysymistä toisistaan erillään ja että sähköpurje näyttäisi mahdollistavan myös matkan auringon gravitaatiofokukseen järkevässä ajassa eli 40 vuodessa. Gravitaatiopolttopisteestä alkaen alus voisi käyttää aurinkoa teleskooppina ja mm. pystyä näkemään vastakkaisella suunnalla olevia eksoplaneettoja ylivoimaisella erotuskyvyllä. (Matka auringon gravitaatiopolttopisteeseen on tosin 550 au eikä 400 au.)

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.