keskiviikko 1. lokakuuta 2003

Katsaus tulevaisuuden avaruusalusten propulsiomenetelmiin

Julkaistu Avaruusluotaimessa 3/2003.

Propulsiolla tarkoitetaan erilaisia avaruusalusten kiihdyttämiseen käytettäviä tekniikoita. Useimmin käytetty propulsiomenetelmä on palamiseen perustuva kemiallinen raketti. Kuten tunnettua, kemiallisten raketeilla ei voida saavuttaa kovin suuria nopeuksia paitsi suuresti kasvattamalla aluksen lähtöpainoa (käytännön yläraja on ehkä 20 km/s, silloin hyötykuorman suhde lähtöpainoon on jo todella pieni). Tästä syystä kemiallista rakettia parempia propulsiomenetelmiä on etsitty  intensiivisesti jo 30-40 vuotta ja etsintä jatkuu yhä. Tämän katsauksen aiheena ovat kemiallista rakettia paremmat propulsiomenetelmät, jotka toimivat tyhjässä avaruudessa. Kaikenkokoisten hyötykuormien nosto ilmakehän läpi kiertoradalle nykyistä paljon taloudellisemmin, joustavammin ja luotettammin on toinen tärkeä ratkaisua odottava ongelma, mutta sitä ei käsitellä tässä. Voidaan väittää että koko avaruustoiminnan luonne ja laajuus tulevaisuudessa riippuvat kyvystämme ratkaista nämä kaksi propulsiotekniikan avainkysymystä. Tästä syystä on aika ajoin syytä päivittää tietonsa ja luoda katsaus propulsiomenetelmien nykytilaan: onko mullistavia menetelmiä tulossa tai kehitteillä?
Magnetoplasmadynaaminen propulsiojärjestelmä testissä. Kuva:
http://www.islandone.org/APC/

Ydin- ja aurinkoenergia

Aktiivisen propulsiomenetelmän energianlähteeksi käy ydin- tai aurinkoenergia. Yksinkertaisin tapa käyttää energialähdettä on kuumentaa sen avulla ajoainetta, jolloin syntyy alusta eteenpäin vievä suihku (ns. terminen propulsio). Ydinreaktoriin perustuvaa termistä propulsiota kehiteltiin 1970-luvun alussa NERVA-projektissa USA:ssa, mutta projekti keskeytettiin ennen pääsyä koelentovaiheeseen. Suunnitellulla 10 tonnin painoisella ja 1,5 gigawatin tehoisella NERVAydinraketilla olisi parhaassa tapauksessa päästy noin kaksinkertaiseen pakosuihkun nopeuteen kemialliseen rakettiin verrattuna (siis myös kaksinkertaiseen loppunopeuteen, mikäli lähtöpainon ja hyötykuorman suhde on sama molemmissa tapauksissa). Suurempi pakosuihkun nopeus johtuu siitä että NERVA:n suihku on molekylaarista vetyä, kun taas perinteisen vetyä polttavan kemiallisen raketin suihku on vettä. Koska vetymolekyyli on vesimolekyyliä kevyempi, sen terminen nopeus samassa lämpötilassa on suurempi kuin vesimolekyylillä. Lämpötila on molemmissa tapauksissa suunnilleen sama (n. 3000 K); fissioreaktioista saataisiin toki energiaa vaikka kuinka paljon, mutta rajoittavana tekijänä on reaktorin sulamispiste. Koska saatava suorituskyky ei ole järin paljon kemiallisia raketteja parempi, mutta tekniikka on vaikeaa ja vaarallistakin, on epätodennäköistä että NERVA:n kaltaista ydinrakettia koskaan rakennetaan.

Kuvassa nähdään täydellisen NERVA-järjestelmän mallikappale. Regeroivilla jäähdytyskanavilla varustettu suutin on alaosassa. Reaktoriydin on keskellä, reaktorin säätöjärjestelmät puolestaan yläosassa. Ytimen yläosassa näkyvät pienet suuttimet ovat kuumennettua vetyä käyttäviä ja osa asennonsäätöjärjestelmää. Päänestevetytankki on kartiomainen hahmo kuvan yläosassa. Neljän pallomaisen tankin ryppään oli tarkoitus sisältää päävetypumppujen pettäessä ytimen hätäpysäytyksessä ja ­jäähdytyksessä käytettävää nestevetyä. Kuva: Westinghouse.
Monimutkaisempi tapa käyttää ydinenergiaa on rakentaa alukseen kokonainen ydinvoimala nestekiertoineen, turbiineineen ja generaattoreineen ja varustaa alus vielä ionitai plasmamoottorilla joka muuntaa sähköenergian varattujen hiukkasten pakosuihkuksi. Tällainen propulsiomenetelmä on käytössä suunnitteilla olevassa JIMO-aluksessa (Jupiter Icy Moons Orbiter). Menetelmän etuja ovat periaatteessa mielivaltaisen suuri pakosuihkun nopeus (siis periaatteessa rajaton loppunopeus), modulaarisuus ja joustavuus. Nykytekniikalla toteutettuna haittapuolena on pieni työntövoima ja siitä seuraava vaatimaton kiihtyvyys, mikä johtuu melko huonosta teho-painosuhteesta. Teho-painosuhteen P/m sekä kiihtyvyyden a ja pakosuihkun nopeuden v välillä vallitsee verrannollisuus P/m ~ a*v. Pakosuihkun nopeus v puolestaan on verrannollinen saavutettavissa olevaan loppunopeuteen, verrannollisuuskerroin riippuu siitä, kuinka paljon lähtömassasta on ajoainetta. Jos halutaan suuri loppunopeus v (esim. v = 100 km/s) ja kohtuullinen kiihtyvyys (esimerkiksi a = 0,01 m/s2), pitää aluksen teho/painosuhteen olla suuruusluokkaa 1 kW/kg (karkeasti ottaen sama kuin nykyaikaisen autonmoottorin). Tällöin kiihdytys loppunopeuteen 100 km/s kestäisi 4 kk. Itse asiassa jos tällainen alus kyettäisiin valmistamaan, se merkitsisi jo aikamoista vallankumousta avaruuden valloituksessa! Plasmamoottoria testaavan eurooppalaisen SMART-1 ­luotaimen (ks. myös s. 5) massa on n. 300 kg ja teho n. 3 kW, eli teho-painosuhde on n. 10 W/kg. Tällaisella teho-painosuhteella kiihtyvyys olisi vain 0,0001 m/s^2 ja kiihdytys nopeuteen 100 km/s kestäisi peräti 30 vuotta. SMART-1 käyttää sähköenergian tuottamiseen perinteistä aurinkopaneelia.

Kohdistamalla auringon säteily parabolisen peilin tai polttolasin avulla pienelle alueelle päästään maksimissaan lähelle Auringon pintalämpötilaa (5800 K). Syntyvä kuumuus on siis riittävä, rajan asettaa taaskin materiaalin kestävyys eikä itse energialähde. Koska aurinkokeräin on pelkkä heijastin, se voidaan ainakin periaatteessa rakentaa pinta-alayksikköä kohti hyvin kevyeksi. Voidaan ajatella että mikä tahansa ydinreaktoriin perustuva propulsiomenetelmä voisi toimia myös aurinkokeräimen avulla: ydinreaktorihan ei ole mitään muuta kuin avaruusaluksen kiinteä osa jota jokin prosessi (fissio) lämmittää. Aurinkokeräimeen perustuvia sähkögeneraattoreita on kehitelty jo 1960-luvulla, mutta kokonaisia lentäviä aluksia propulsiosysteemeineen ei tiettävästi ole rakennettu. Syynä tähän on todennäköisesti enemmänkin poliittinen sattuma kuin suuret tekniset ongelmat.

Aurinkokeräin-plasmamoottoriyhdistelmä voi tulevaisuudessa olla varteenotettava vaihtoehto ydinreaktori-plasmamoottoriyhdistelmälle lennoilla jotka eivät ulotu liian kauas Auringosta. Vielä Marsin etäisyydellä säteeltään 30-metrinen aurinkokeräin pystyy keräämään lähes 2 megawatin lämpötehon. Tällaisen keräimen massa voisi olla alle 100 kg, jos se olisi valmistettu keskimäärin 10 mikrometrin paksuisesta alumiinista. Jos 20 % lämpötehosta pystyttäisiin muuttamaan plasmasuihkun energiaksi, tämä riittäisi antamaan tonnin painoiselle alukselle melko mukavan teho-painosuhteen 400 W/kg.

Aurinkopurjeet ja magneettiset purjeet

Passiivisia propulsiomenetelmiä (purjeita) on myös kehitteillä. Maan etäisyydellä Auringon säteily aiheuttaa heijastavaan kohtisuoraan pintaan voiman, jonka suuruus on lähes 10 mikronewtonia neliömetrille. Kiihtyvyyden 0,003 m/s2 antamiseksi tonnin painoiselle alukselle tarvitaan 3 newtonin voima. Tällaisen voiman antaisi siis 30 hehtaarin aurinkopurje. Purjeen pitäisi kuitenkin olla todella ohut, alle 1 mikrometri, jotta sen massa jäisi alle tonnin ja tilaa jäisi vielä hieman hyötykuormallekin. Aurinkopurje on periaatteessa ekvivalentti 100-prosenttisella hyötysuhteella toimivan aurinkoenergiaa käyttävän fotoniraketin kanssa. Koska tavoiteltavat loppunopeudet ovat kaukana valon nopeudesta, fotonien käyttö ajoaineena on energian tuhlausta. Tästä syystä aurinkopurjeen on oltava paljon plasmamoottorin aurinkokeräintä suurempi, jotta sillä päästäisiin samaan työntövoimaan. Toisaalta tasomainen aurinkopurje on helpompi pingottaa muotoonsa esimerkiksi pyörittämällä kuin aurinkokeräin, jonka on oltava paraboloidin muotoinen.

Aurinkopurje käyttää siis voimanlähteenään Auringon säteilypainetta. Toisinaan julkisuudessa esiintyy harmillinen väärinkäsitys, jonka mukaan aurinkopurjeen voimanlähde olisi aurinkotuuli. Aurinkotuulenkin valjastamista propulsiotarkoituksiin on kyllä mietitty. Aurinkotuulen ns. dynaaminen paine vaihtelee suuresti, mutta on keskimäärin Maan etäisyydellä n. 2 nanonewtonia neliömetrille, siis n. 5000 kertaa heikompi kuin Auringon säteilypaine. Aurinkotuulen dynaaminen paine pienenee Auringosta mitatun etäisyyden neliössä kuten säteilypainekin. Aurinkotuulen etuna on kuitenkin, ettei sen poikkeuttamiseen tarvita välttämättä kiinteää purjetta, vaan esimerkiksi aluksen ympärille luotu vahva magneettikenttä riittää. Tutkimalla asiaa todetaan että optimaalinen ratkaisu on mahdollisimman suuri ja kevyt ympyränmuotoinen virtasilmukka jossa kulkee mahdollisimman suuri sähkövirta. Jos virtasilmukan läpimitta on muutamia kymmeniä kilometrejä ja siinä kulkee muutaman kymmenen kiloampeerin virta, se aikaansaa ympärilleen keinotekoisen magnetosfäärin, joka on jonkin verran silmukan läpimittaa suurempi. Jotta silmukka ei painaisi liikaa, sen pitäisi olla noin yhden millimetrin läpimittaista lankaa. Näin ohuessa sähköjohdossa voi kulkea kymmenien kiloampeerien virta vain jos lanka on suprajohtavassa tilassa. Lanka pitäisi siis saada mahdollisimman kylmäksi. Minkäänlainen aktiivinen jäähdytys ei tule kyseeseen, koska se sisäisi systeemin painoa aivan liikaa. Passiivinen jäähdytys on mahdollista: lanka voidaan päällystää materiaalilla, joka heijastaa mahdollisimman hyvin auringonvaloa, mutta päästää lämpösäteilyn lävitseen (kasvihuoneilmiön vastakohta). Passiivisella jäähdytyksellä päästään Maan etäisyydellä karkeasti noin -100 celsiusasteeseen. Tämä ei valitettavasti vielä ole riittävän kylmää nykyisin tunnetuille suprajohtaville materiaaleille.

Mikä on paras menetelmä?

Aurinkokeräimeen tai ydinreaktoriin perustuvat plasmamoottorit ovat varmaankin todennäköisin seuraaja kemiallisille raketeille. Erilaisten plasmamoottorien kehittelyn soisi jatkuvan kiivaana, koska erilaisia toimintaperiaatteita on useita ja kaikkia ei välttämättä ole vielä keksittykään. Aurinkokeräimiä ei saisi unohtaa ja niiden pingotustekniikoita pitäisi selvittää. Koska ISS on olemassa, keräin tai purje voitaisiin myös koota kiertoradalla, jolloin sen ei tarvitse olla "itselaukeavaa" mallia. Keskeisintä on saada kaikkien komponenttien teho/painosuhdetta nostetuksi nykyisestä. Tämän "mainstream"-vaihtoehdon ulkopuolelta voi tulla varteenotettavia haastajia, mikäli avaintekniikoissa tapahtuu läpimurtoja. Aurinkopurjeiden kohtalo riippuu ohuiden heijastavien kalvojen valmistustekniikasta, magneettisen purjeen tulevaisuus puolestaan korkean lämpötilan suprajohteiden kehittymisestä. Fuusioenergiaa voitaisiin käyttää, kunhan sen synnyttäminen laboratoriooloissa ensin onnistuisi. Ydinräjähteisiin perustuva propulsio ("Project Orion") olisi luultavasti teknisesti mahdollinen jo nykytekniikalla, mutta avaruusaluksen pitäisi olla valtavan suurikokoinen (vähintään satojen tonnien painoinen). Ydinräjähteen minimikoon sanelee neutronien vapaa matka, mikä ei ole tekniikan keinoin muutettavissa.

Taustaa
Hyvä propulsiosivusto on osoitteessa
http://www.islandone.org/LEOBiblio/.

Ilmatieteen laitoksen Geofysiikan tutkimus tekee paraikaa ESA:n toimeksiannosta selvitystä magneettisen propulsion teoriasta. Tässä yhteydessä kirjoittaja tuli tutustuneeksi myös muiden propulsiomenetelmien teoriaan.

Pekka Janhunen
Pekka.Janhunen@fmi.fi