Tuoreita sähköpurjeuutisia ja vanhoja Avaruusluotain-lehdessä (Suomen Avaruustutkimusseuran jäsenlehti) julkaistuja sähköpurjekolumneja ja muita kirjoituksia. Sähköpurjeen kotisivu on www.electric-sailing.fi.
(Kyseisen Avaruusluotain-lehden numeron teemana oli teknologia avaruusscifin taustalla.)
Kalpana 1 -habitaatti (nss.org).
Aurinkokuntaan olisi mahdollista rakentaa siirtokuntia asteroidien raaka-aineista. Ajatus on vanha ja esimerkiksi 1970-luvulla Gerard O'Neill tutki asiaa opiskelijoidensa kanssa. Tullakseen toimeen avaruudessa ihminen tarvitsee paineistuksen, säteilysuojan ja keinopainovoiman. Sopiva rakenne on noin kymmenen kilometrin halkaisijainen ja saman pituinen pyörivä sylinteri. Sylinterin kymmenen metriä paksu hiilikuituseinä kestää paineistuksen ja keskipakoisvoiman ja on Maan ilmakehän veroinen säteilysuoja. Normaalipainovoimaista pinta-alaa on sylinterin sisäpinnalla 300 neliökilometriä ja sylinterin massa on 6 miljardia tonnia eli vähän kevyempi kuin Rosettan tutkima Churyumov-Gerasimenko -komeetta.
Kalpana 1 sisältä.
Jos kymmenesosa asteroidivyöhykkeen painavimmasta kappaleesta eli kääpiöplaneetta Ceresistä hyödynnettäisiin raaja-aineena, se riittäisi 15 miljoonaan avaruuskaupunkiin, joiden kokonaispinta-ala olisi 5 miljardia neliökilometriä, eli 30 maapalloa jos valtameret jätetään pois. Kuiperin vyöhykkeellä olisi käytettävissä raaka-ainetta vielä satoja kertoja asteroidivyöhykettä enemmän, ja Oortin pilvessä karkeiden arvioiden mukaan vähintään satoja tuhansia kertoja enemmän. Siis jopa miljoonia kertoja enemmän pinta-alaa kuin Maassa, ja tuo pelkästään omassa aurinkokunnassamme.
Pluton typpijäätiköissä olisi raaka-ainetta suureen määrään hengitysilmaa (cbsnews.com).
Miten on mahdollista että aurinkokunnan pienkappaleista voisi rakentaa noin paljon enemmän pinta-alaa kuin kokonainen planeetta tarjoaa? Planeetta on massamielessä erittäin tehoton tapa tuottaa elintilaa, koska suurin osa massasta on piilossa planeetan sisällä ja sen ainoa tehtävä on tuottaa painovoimakenttä. Jos rakennetaan pyöriviä sylintereitä joissa painovoima tuotetaan keskipakoisvoimalla, massaa tarvitaan noin miljoona kertaa vähemmän, eli koko maapallon massan sijaan tarvitaan vain maan ilmakehän verran ainetta.
Kääpiöplaneetta Ceres (nasa.gov).
Raaka-aineiden nostaminen esimerkiksi Cerekseltä (pakonopeus puoli kilometriä sekunnissa) voidaan tehdä esimerkiksi raketilla tai avaruushissillä. Cereksen raaka-aineista rakennetut kaupungit voidaan jättää kiertämään Cerestä, jolloin ne ovat helpon matkan päässä toisistaan, vaikkakin kaukana Maasta ja muiden asteroidien siirtokunnista.
Mitä tarvitaan jotta tähän päästäisiin? Tarvitaan tehokas tapa päästä asteroideille, esimerkiksi sähköpurje. Tarvitaan asteroidien kaivostoimintaa. Tarvitaan osien valmistusta ja laitteiden kokoonpanoa avaruudessa. Tarvitaan robottiluotaimiin sen verran älyä että jokaista liikettä ei tarvitse ohjelmoida etukäteen, koska kommunikaatioviive asteroideille on noin tunti.
Tällä hetkellä tonnin massan toimittaminen maasta asteroidille maksaa noin puoli miljardia. Se on noin kahdeksan kertalukua liikaa jotta avaruuden siirtokunnat löisivät taloudellisesti leiville. Kahdeksan kertalukua on suuri haaste, mutta periaatteellista alarajaa yksikköhinnalle ei ole, kunhan asteroidien kaivostoimintaa käytetään tehokkaasti hyväksi. Monet arkipäiväiset koneet pystyvät käsittelemään elinaikanaan yllättävän suuren massan verrattuna omaan painoonsa. Esimerkiksi jos kuorma-autolla ajetaan soraa muutaman kymmenen kilometrin päähän, tavaraa siirtyy auton elinaikana kymmeniä tuhansia kertoja enemmän kuin auton oma paino. Jos kaivoksen tuotteista rakennetaan toinen isompi kaivos, massakerroin korottuu toiseen potenssiin. Kymmenen tuhatta potenssiin kaksi onkin jo kahdeksan kertalukua.
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.
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.