Näytetään tekstit, joissa on tunniste Kuu. Näytä kaikki tekstit
Näytetään tekstit, joissa on tunniste Kuu. Näytä kaikki tekstit

maanantai 15. marraskuuta 2010

Sähköpurjeen sovelluksia, osa 5: Kiertoajelu asteroideilla

Koska sähköpurje ei tarvitse polttoainetta, sitä käyttävä luotain voisi lentää useiden asteroidien vierellä havaintoja tehden. Asteroidivyöhykkeellä lennettäessä sähköpurjeen suuri tehokkuus pääsee oikeuksiinsa, koska luotain pysyy jatkuvasti sopivalla etäisyydellä auringosta. Esimerkiksi kymmenen vuoden tehtävässä yhden newtonin sähköpurje (massa 100 kg) tuottaa 300 miljoonan newtonsekunnin kokonaisimpulssin, mikä vastaa sadan tonnin kemiallisen raketin tuottamaa impulssia. Jos tuo satakiloinen purje on asennettu tonnin painoiseen alukseen, delta-v:tä kertyy kymmenvuotisen tehtävän aikana huimat 300 km/s. Jos vastaava tehtävä yritettäisiin suorittaa ionimoottorilla, ominaisimpulssin pitäisi olla 30,000 sekuntia ja tehon parisataa kilowattia. Parhaat nykyiset aurinkopaneelit tuottavat noin 100 W/kg, jolloin jo pelkkä aurinkopaneelisto painaisi pari tonnia eli 20 kertaa enemmän kuin sähköpurje. Jos sähköpurje saadaan toimimaan edes likimain ennustetulla tavalla, se tulee olemaan täysin ylivoimainen propulsiolaite tämäntyyppisissä tehtävissä.

Asteroidivyöhykkeellä on paitsi asteroideja, myös niistä irronneita kiviä, soraa, hiekkaa ja pölyä. Ne voivat periaatteessa katkoa sähköpurjeliekoja. Emme osaa tarkasti arvioida liean katkeamisen todennäköisyyttä, koska emme tiedä kuinka paljon pienkappaleita asteroidivyöhykkeellä on. Meteoroidimallien mukaan asteroidivyöhykkeellä esiintyy suhteellisesti vähemmän hienojakoista pölyä ja enemmän pikkukiviä kuin lähellä Aurinkoa. Tällöin asteroidivyöhykkeelle optimoitu sähköpurjelieka on leveämpi kuin esimerkiksi Merkuriuksen radalle suunniteltu. Leveämpi lieka on nopeampi valmistaa, koska tarvitaan vähemmän lankaliitoksia liean pituusyksikköä kohti. Toisaalta liekarullien pitää olla kookkaampia.
Videolla löydettyjä asteroideja vuodesta 1980 lähtien - aikamoista ruuhkaa loppua kohden! Havaintomenetelmien parantuessa myös tunnettujen asteroidien lukumäärä on noussut kovaa vauhtia. Video: Scott Manley, Lowellin observatorio

Liekojen meteoroidikestävyyttä voidaan tarvittaessa parantaa lisäämällä rinnakkaisten lankasäikeiden määrää. Asteroidivyöhykkeen kivi ja sora ei siis ole sähköpurjeelle periaatteellinen ongelma.
Toinen tärkeä seikka asteroideja tutkivalle sähköpurjeelle on navigointitarkkuus. Jos luotaimen on tarkoitus lentää esimerkiksi muutamia päiviä 100 km päässä asteroidista tarkkojen kuvien ja alkuaineanalyysin suorittamiseksi, sähköpurjeen oma lentotarkkuus ei ehkä riitä vaan mahdollisesti tarvitaan avuksi esimerkiksi FEEP-moottoreista saatavaa tarkasti säädettävää työntövoimaa. Lisäksi sähköpurjelieat ja itse alus aina heiluvat jonkin verran. Jotta saataisiin tarkkoja kuvia asteroidin pinnasta, kamerassa pitää olla laitteisto, joka pitää sen tarkasti halutussa suunnassa huolimatta avaruusaluksen rungon liikkeistä.

Kuinka monta asteroidia sähköpurjemissio voisi tutkia kymmenessä vuodessa? Kysymystä ei ole tutkittu ja se vaatii joka tapauksessa tarkentavia oletuksia. Ovatko kaikki asteroidit kiinnostavia? Halutaanko lentää tutkittavan asteroidin rinnalla vai riittääkö suuremmalla nopeudella tapahtuva lyhyt ohilento? Halutaanko tutkia Maan lähiasteroideja (ns. NEO-asteroideja, Near-Earth Objects) vai käydä läpi koko asteroidivyöhyke sisältä ulkoreunalle asti?
Pekka Janhunen puhumassa sähköpurjeesta. Kuva: Riina Varol, Wikimedia
Ehkä tarkan lentosuunnitelman tekeminen on tarpeetonta ja asteroidien sähköpurjekartoitukseen voitaisiin suhtautua kuten Mars-mönkijöihin, joita käskytetään tilanteen mukaan mielenkiintoiselta kiveltä ja kraatterilta toiselle. Tärkeintä on oppia lentämään ja tekemään laadukkaita havaintoja sähköpurjealuksesta käsin. NEO-asteroidit olisivat siinä mielessä kiitollinen aloituskohde että silloin pysyttäisiin melko lähellä Maata, jolloin meteoroidiympäristö ja terminen ympäristö ovat samantapaisia kuin satelliiteilla ja datan siirto Maahan on suhteellisen helppoa lyhyehkön etäisyyden takia. NEO-asteroidit olisivat tärkeimmät myös törmäysten eston ja asteroidien kaivostoiminnan kannalta.

Asteroidien kaivostoiminta on tulevaisuuden avaruustoiminnan todennäköinen kulmakivi. Asteroidien raaka-aineista voidaan valmistaa rakettipolttoaineet suurten aurinkovoimasatelliittien nostamiseen radoilleen ja ehkä myöhemmin myös satelliittien rakenteellisia osia tai jopa avaruuden siirtokuntien raskaita rakenteita. Maan päällä puolestaan asteroideilta tuodut kohtuuhintaiset platinaryhmän metallit saattaisivat mahdollistaa esimerkiksi polttokennojen laajamittaisen käytön. Asteroidien etu verrattuna Kuuhun on, että kaivannaisia ei tarvitse nostaa pinnalta raketeilla ja että hiilikondriittiasteroideilla esiintyy runsaasti myös vettä ja hiiltä rakettipolttoaineiden raaka-aineiksi. Toisaalta asteroidien haittapuoli on pääomakuluja lisäävä ajallisesti pitkä siirtomatka, joten ehkä lopullisempi ratkaisu on käyttää myös kuuperäisiä aineita nostaen niitä raketeilla asteroidiperäisen metaanin tai vedyn avulla (happi voitaneen tuottaa Kuun kivistä). Joka tapauksessa sähköpurjeet mahdollistavat liikenteen asteroideille ja takaisin kohtuullisin kustannuksin.

Pekka Janhunen