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.

sunnuntai 13. marraskuuta 2011

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 8: Kuiperin vyöhykkeen kohteiden ohilennot

Kuiperin vyöhykkeen sijainti Aurinkokunnassa.
Kuvaan on merkitty myös New Horizons -luotaimen rata. Kuva: Nasa
Suoraviivainen sähköpurjesovellus on viskata luotain suurehkolla nopeudella ulos aurinkokunnasta. Jos tarkoituksena on ottaa lähikuva jostain Kuiperin vyöhykkeen kohteesta, vauhtia ei tarvita aivan yhtä paljon kuin IHP-luotaimessa, koska kohde on ”vain” noin 50 AU:n päässä eikä 200 AU:ssa kuten heliopausi. Luotainlennot on ainoa tapa saada tarkkaa tietoa Aurinkokunnan kaukaisemmista kohteista.

Luotainta kiihdytetään sähköpurjeella esimerkiksi Saturnukseen asti, minkä jälkeen sähköpurjeosa voidaan heittää pois. Luotaimessa on pienet rakettimoottorit ratakorjauksia varten, joita käytetään sen jälkeen kun sähköpurje on irrotettu. Alus lentää kohteen läheltä, katsoo sitä kameroilla ja muilla instrumenteilla ja tallentaa datan muistiin. Ohilennon jälkeen alus suuntaa radioantenninsa kohti Maata ja lähettää datan kaikessa rauhassa.
Taiteilijan näkemys New Horizons aluksesta Pluton yllä.
Piirros: NASA
Tämäntapaisia lentoja voitaisiin toteuttaa myös perinteisellä tekniikalla, mutta silloin matka-aika olisi hyvin pitkä tai vaihtoehtoisesti tarvittaisiin suuri kantoraketti. Nasan New Horizon matkaa Plutoon noin kahdeksassa vuodessa ja sen laukaistiin luotaimen kokoon nähden varsin isolla kantoraketilla. Kuiperin vyöhykkeelle sen matka-aika olisi noin 12 vuotta. Kuiperin vyöhykkeen kohteita on paljon joita kaikkia haluttaisiin tutkia. New Horizon -tyyppisillä luotaimilla jokaista varten tarvittaisiin iso kantoraketti ja 12 vuotta odottelua. Sähköpurje suorittaa tehtävän halvemmalla (pienemmillä kantoraketeilla, mahdollisesti useita identtisiä luotaimia yhdellä laukaisulla) ja nopeammin. Sitäpaitsi perinteinen menetelmä nojaa vauhdin ottoon Jupiterista, mistä seuraa että halutun Kuiperin vyöhykkeen kohteen saavuttamiseksi voidaan joutua odottamaan että Jupiter kiertyy sopivalle puolelle aurinkoa. Jupiterin lähiohituksen aikana luotain saa myös suuren säteilyannoksen Jupitern säteilyvyöhykkeistä. Sähköpurjetta käytettäessä kumpaakaan ongelmaa ei esiinny.

New Horizons rakenteilla NASAn laboratoriossa.
Alus pääsi matkaan tammikuussa 2006 ja Pluto saavutettaneen heinäkuussa 2015.
Kuva: NASA
Jotta luotaimet voivat toimia Kuiperin vyöhykkeen kohteen lähellä, niihin tarvitaan ydinkäyttöinen tehonlähde, vaikka itse sähköpurje pärjääkin periaatteessa pelkällä aurinkosähköllä. Toivottavasti Rossin reaktorin kehitys etenee yhtä jalkaa sähköpurjeen kanssa. Silloin sähköpurjeilla voisi lentää aurinkokunnan ulko-osiin lähes kotikonstein ilman radioaktiivisia ydinparistoja.

Pekka Janhunen

maanantai 10. lokakuuta 2011

EPSC-DPS 2011 - kuvia ja postereita.

Yli 1500 avaruustieteilijää kokoontui Ranskan Nantesiin EPSC:n (European Planetary Science Congress) ja DPS:n (Meeting Of The Division For Planetary Sciences) yhdistettyyn kokoukseen. Myös sähköpurje oli hyvin edustettuna kolmella posterilla. Yleisen projektiposterin lisäksi esiteltiin kaksi käyttökohdetta: jättiläisplaneettaluotaimet, sekä asteroidivyöhykkeen kiertoajelu.

EPSC-DPS poster session
Pekka Janhunen vastaa kiperiin kysymyksiin sähköpurjeposterin äärellä.



EPSC-DPS poster session
Pekka kertomassa sähköpurjeen mahdollisuuksista Mark Pricelle (Kentin yliopisto).


Posterisessioissa oli tiivis tunnelma:
Poster session rush-hour 

Nantes oli mukava historiallinen kokouskaupunki. Kuvassa Nantesin linnanpihaa:
France 029

Lisää kokouksesta ottamiani kuvia löydät Flickeristä.
Sini Merikallio





maanantai 5. syyskuuta 2011

ESTCube-1 workshop Vooressa 30.10 - 1.11.2009; Täppisteaduste Sygiskool

ESTCube-1 joukkue: takarivissä Toomas Vahter, Henri Seppänen, Jouni Envall, Paul Liias, Ramon Rantsus, Pekka Janhunen, Tanel Ainla, Sven-Erik Mändmaa, Endel Solo, Urmas Uska, Tavo Ani, Erik Kulu, Jaan Viru, Indrek Sünter ja Tõnis Eenmäe. eturivissä: Petri Toivanen, Jouni Polkko, Sini Merikallio, Olaf Krömer, Urmas Kvell, Mart Noorma, Agnes Bauchman, Ilmar Ansko
Lokakuun lopulla kokoontui Eestin Vooreen reilu viisikymmentä opiskelijaa, joista kymmenkunta kuului ESTCube-1:n tiimiin. ESTCube-1 on Viron ensimmäinen satelliitti, jonka hyötykuormana on sähköpurjeen testi, sekin ensimmäinen laatuaan.

Pekka Janhunen luennoimassa.
Tämä ESTCuben vaihe A:n katselmus alkoi itse keksijä Pekka Janhusen esitelmällä, jonka aikana sähköpurjeen toiminta selvitettiin perusteellisesti. Tämän jälkeen käytiin alijärjestelmät, niiden ongelmat ja status läpi: riittääkö virtaa, mitä jännitteitä tarvitaan, miten lieka oikein pakataan kelalle, entä mistä kohtaa satelliitin seinämää se kelautuu ulos ja osuuko se nyt varmasti kameran linssin eteen?

Jaan Virun ryhmä on selvittänyt avaruusolojen vaikutusta satelliittiin.
Idearikkaat opiskelijat vievät projektia innolla kohti laukaisua. Samalla kun sähköpurje-efekti tulee mitattua, saadaan koulutettua Eestiin koko joukko valmiimpia avaruusinsinöörejä ja tiedemiehiä, joilla tulee olemaan jo valmistuessaan yksi toivottavasti onnistunut satelliittimissio takana.

Keskustelu oli vilkasta myös varsinaisen kokouksen ulkopuolella.
Vilkasta keskustelua vielä paluumatkalla Suomalaisen tiimin kesken herätti mikrometeoriittiuhka ja siihen valmistautuminen. Ideoitiin myös liean päähän maalattavaa Viron lippua, josta voitaisiin uloskelattaessa ottaa kuvia.

Sini Merikallio

perjantai 2. syyskuuta 2011

Andrea Rossin reaktori

Sähköpurjekolumni 2.9.2011

Keksinnöt muuttavat maailmaa, eikä vain Edisonin aikaan. Italialainen insinööri Andrea Rossi kertoo rakenteensa laitteen ("Energy Catalyser", E-cat), joka tuottaa energiaa jonkinlaisella ydinreaktiolla saasteettomasti, skaalautuvasti, turvallisesti, rajattomasti ja halvalla. Hänen laitteensa on suojuksineen kahvinkeittimen kokoinen ja tuottaa lämpöenergiaa 4 kilowatin teholla. Polttoaineina ovat nanokokoinen nikkelijauhe ja vetykaasu, jotka näyttäisivät fuusioituvan reaktorissa hiljalleen kupariksi. Noinkohan sentään on?
Andrea Rossi myöhemmin 43 E-Catista koostuvan 1 MW.n yksikön keskellä.
Kuva: Focus.it
Keväällä kaksi uppsalalaista fysiikan professoria saapui tutkimaan E-catia Bolognaan. Laitetta ajettiin testissä 18 tunnin ajan ja fyysikot saivat tutkia sitä ja sen ympäristöä. Ainoastaan itse reaktoria ei liikesalaisuuteen vedoten avattu. Kokeen aikana E-cat tuotti kokoonsa nähden paljon enemmän energiaa (keittämällä saavikaupalla vettä) kuin mikään kemiallinen reaktio voi selittää. Professorit päättelivät että laitteen sisällä tapahtuu näin ollen jonkinlainen ydinreaktio. Brian Josephson (tunnettu Josephsonin liitoksesta) toteaa youtube-videossaan, että koska huijauksen mahdollisuus näyttää olevan suljettu pois, E-cat on ilmeisesti aito keksintö.

Jos Rossin keksintö on todellinen, niin veikkaisin että taustalla saattaa kummitella tavalla tai toisella Bose-Einstein-kondensoituminen, eli sama ilmiö johon perustuvat suprajohteet ja supranesteet. Suprajohteessa kondensoituminen poistaa elektronien ja atomien väliset törmäkset, jolloin sähkönvastus häviää täydellisesti. Ehkä E-catissa jonkin hiukkaspopulaation kondensoituminen atomiryppäässä efektiivisesti poistaa yksittäisten ytimien välisen Coulombin repulsion, jolloin fuusio tulee mahdolliseksi. Rossin reaktorin väitetty fuusio ei voi koostua perinteisistä yksittäistapahtumista (Ni + H -> Cu + energiaa), koska mittauksissa ei näy radioaktiivista säteilyä laatikon ulkopuolella. Tämä viittaa hiukkasten kollektiiviseen käyttäytymiseen. Keksijän mukaan energia vapautuu pehmeänä gammasäteilynä, jonka hän absorboi 2 cm paksuiseen lyijykerrokseen. Reaktorin sisältä mitattua gammaspektriä keksijä ei anna julkisuuteen, koska se paljastaisi salaisen katalyytin.
Rubidiumatomikaasun Bosen-Einsteinin kondensaatin nopeusjakauma.
Kuva: Wikipedia
Kuinka näin dramaattinen kylmäfuusioilmiö olisi voinut jäädä huomaamatta? Miksi luonto ei käytä sitä, miksi esimerkiksi Jupiteriin putoava rautanikkeliasteroidi (tai Jupiterin ydin) ei reagoi planeetan vedyn kanssa? Ehkä niin käykin, mutta reaktio pysähtyy viimeistään kun saavutetaan nikkelin sulamispiste. Lisäksi nikkelin on oltava nanopulverimuodossa ja läsnä pitää olla katalyyttiä. Toisaalta reaktio ei voi tapahtua pienellä planeetalla tai asteroidilla, koska vetykaasua on vain jättiläisplaneetoilla. Luonnon muovaamaa Rossin reaktoria ei näytä olevan olemassa.

Rossi ilmoittaa, että lokakuussa käynnistyy yhden megawatin tehoinen esittelyvoimala, jossa toimii rinnakkain 300 E-catia. Keksintö voi mullistaa mm. fysiikan, tekniikan, teollisuuden, talouden ja geopolitiikan. Koska laite on pieni, halpa ja sarjatuotantoon sopiva, muutos voi olla nopea ja alkaa tämän vuoden aikana. Ehkä muutaman vuoden päästä markkinoilla häärii ja voittoja käärii yhtiö, jonka pörssiarvo on satatuhatta miljardia.

Avaruusasioihin ja sähköpurjesovelluksiin E-catin vaikutus olisi vähemmän dramaattinen. Aurinkovoimasatelliittien kaavailu kävisi tarpeettomaksi, mutta toisaalta E-cat voisi korvata RTG:t luotaimissa ja siten lisätä lentoja aurinkokunnan ulko-osiin. Rakettitekniikkaan ja kiertoradalle nousemiseen keksinnöllä ei olisi vaikutusta.

Pekka Janhunen

keskiviikko 24. elokuuta 2011

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

perjantai 10. kesäkuuta 2011

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: 







maanantai 9. toukokuuta 2011

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.

video
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

keskiviikko 30. maaliskuuta 2011

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

maanantai 24. tammikuuta 2011

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