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

keskiviikko 27. tammikuuta 2016

Sähköpurjekolumni 37

Sähköpurjekolumni 27.1.2016

Lyhyen tähtäimen aurinkotuulisäätä ennustetaan Auringon ja Maan välistä Lagrangen L1-pistettä kiertävillä luotaimilla. Alukset mittaavat aurinkotuulen plasmatiheyttä, nopeutta ja magneettikenttää 1.5 miljoonaa kilometriä ylävirtaan Maasta, mikä aurinkotuulen nopeudesta riippuen vastaa 0.5-1 tunnin viivettä. Tämä on hyödyllistä, mutta ennakointiaika saisi olla vähän pitempi.  Sähköpurjetta käyttämällä luotain voisi hieman vastustaa työntövoimallaan Auringon painovoimaa ja sijaita lähempänä Aurinkoa, jolloin ennakointiaika voisi pidentyä enimmillään kaksinkertaiseksi. Aurinkotuulen plasmatiheys selviää mittaamalla jännitteellisen sähköpurjeliean keräämä sähkövirta, aurinkotuulen nopeus voidaan laskea aluksen kiihtyvyysanturin mittaamasta sähköpurjeen työntövoimasta, ja aurinkotuulen magneettikenttä voidaan mitata puomin päässä olevalla pienellä magnetometrillä. Kaikki tämä mahtuu periaatteessa 3-U -cubesattiin. Radioyhteyden kommunikaatioetäisyys on pitkä, mutta koska alus pysyy koko ajan Aurinkoon ja Maahan nähden jokseenkin samassa asennossa, kommunikaatio voitaneen hoitaa litteillä satelliitin takapintaan kiinnitetyillä patch-antenneilla. Yhdellä sähköpurjeliealla varustettu muutaman kilon painoinen cubesat pystyisi siis ennustamaan aurinkotuulta kaksi kertaa pitemmälle tulevaisuuteen kuin olemassaolevat menetelmät, jotka lisäksi ovat kertaluokkaa kalliimpia.

Jos halutaan ennustaa aurinkotuulta vuorokausien päähän tai jos halutaan ennustaa mitä tahansa Auringon röntgen-, UV- ja energeettisten hiukkasten emissioita, pitää mitata itse Aurinkoa ja pyrkiä ennustamaan sen purkauksia. Tässä on monia haasteita, joista yksi on että koska Auringon pyörähdysaika on vajaa kuukausi, meiltä piilossa Auringon takana saattaa olla kehittymässä uutta toimintaa. Tähän tarvittaisiin periaatteessa joukko Aurinkoa kiertäviä luotaimia. Vähän halvempi vaihtoehto on panna luotain Auringon ja Maan Lagrangen L5-pisteeseen, joka muodostaa Auringon ja Maan kanssa tasasivuisen kolmion. Luotain näkee silloin Auringon 60 astetta eri kulmasta kuin Maa ja havaitsee Auringon takaa esiin vyöryvät seudut yli 4 vuorokautta aiemmin kuin Maa.  L5-piste on vakaa, joten luotaimen pitäminen siellä ei vaadi työntövoimaa. Luotain voitaisiin viedä paikalleen perinteisellä menetelmällä tai sähköpurjeella.

Revontulet, indusoituvan sähkökentän aiheuttamat uhat maanpäälliselle sähköverkolle ja säteilyriskit satelliiteille riippuvat enimmäkseen aurinkotuulesta, jota siis voidaan tällä hetkellä ennustaa tarkasti 0.5-1 tunnin päähän (riippuen aurinkotuulen nopeudesta) ja sähköpurjeella 1-2 tunnin päähän. Häiriöt radioliikenteessä puolestaan johtuvat ionosfäärin plasmatiheyden kasvusta, joka riippuu revontulista ja Auringon suorasta UV-säteilystä.  Säteilyriskit Kuuhun tai Marsiin matkaaville astronauteille ja korkealla lentäville lentokoneille tulevat pääosin Auringon hiukkaspurkauksista, jotka samoin kuin UV-säteily ovat äkillisiä, suoraan Auringon pinnan toiminnasta johtuvia ilmiöitä.

Avaruussään ennustaminen nojaa siis yhtäältä Maan ylävirran aurinkotuulen mittaamiseen ja toisaalta Auringon pintatoiminnan seuraamiseen eri havaintosuunnista. Sähköpurjeella olisi paljon annettavaa ensimmäiseen ja merkittävästi myös jälkimmäiseen.

tiistai 24. marraskuuta 2015

Sähköpurjekolumni 36

Onko nimi enne: Phobos

Sähköpurjekolumni 24.11.2015

Phobos-kuu

(Kyseisen Avaruusluotaimen numeron teemana oli Marsin valloituksen historia.)

Hiljattain ilmestyi tutkimus jossa todettiin että Marsin matalalla kiertävässä 20-kilometrisessä Phobos-kuussa näkyy vuorovesivoiman aiheuttamia halkeamia.  Tutkimuksessa ennustettiin että koska kuun rata alenee 2 cm vuodessa, vuorovesivoima kasvaa ja kuu hajoaa todennäköisesti 30-50 miljoonassa vuodessa.

Phobosta hajottamaan pyrkivät vuorovesivoimat ovat heikkoja, mutta toisaalta kappalekin on hauras.  Arvelisin että kuun hajoaminen on vähän kuin maanjäristys: tiedetään että tapahtuma tulee joskus, mutta täsmällistä aikataulua ja seurauksia on vaikea ennustaa. Jos hajoamisessa vapautuu kiviä, soraa ja pölyä, ne jäävät kiertämään planeettaa, jolloin ne saattaisivat uhata avaruustoimintaa Marsissa. Riski sille että kappaleita putoaisi suoraan Marsin pinnalle lienee pieni, koska siihen tarvittaisiin 500 m/s nopeuden muutos. Nykyisellä radan alenemisvauhdilla 2 cm vuodessa Phoboksen materia putoaa planeetan pinnalle parinsadan miljoonan vuoden kuluttua.

Onko Phoboksen mahdollinen hajoaminen asia joka pitäisi ottaa huomioon miehitetyn Mars-toiminnan suunnittelussa?  Todennäköisyys hajoamiselle lähivuosisatoina on pieni, ja vaikka se tapahtuisikin, siitä voitaisiin hyvinkin selvitä säikähdyksellä. Pinnalle ei varmaankaan suoraan tipahtaisi mitään, ja vaikka kiertoradalle pahimmassa tapauksessa syntyisikin jonkinlainen sorarengas, sen ja planeetan väliin jäisi tilaa niin että avaruusliikenne Marsiin olisi edelleen mahdollista. Rengas olisi kuitenkin pitkäaikainen harmi, joten saatettaisiin jossitella miksei hajoamista estetty esimerkiksi Phoboksen ympärille asennetulla teräsverkolla silloin kun kappale oli vielä ehjä.

Jos Phoboksella tai Deimoksella sattuisi olemaan kaivettavissa olevaa vettä (jäätä, kidevettä tai kemiallisesti sitoutunutta vetyä) riittävän lähellä pintaa, niitä voisi käyttää miehitetyn Mars-liikenteen tarvitseman kryogeenisen rakettipolttoaineen valmistukseen ilman että vettä tarvitsee kaivaa ja tuoda kauempaa asteroidivyöhykkeeltä. Oli Marsin kuilla vettä tai ei, kaivostoimintamielessä ne ovat joka tapauksessa merkittäviä potentiaalisia raaka-ainelähteitä. Niiden aurinkokunnan pienkappaleiden joukossa joiden keskietäisyys auringosta on enintään 1.9 au on nimittäin vain yksi Phoboksen ja Deimoksen kokoinen kappale, eli kiviasteroidi Eros. Pienkappaleilta voidaan nostaa ainetta lähes ilmaiseksi verrattuna Kuuhun ja Marsiin, Maasta ja Venuksesta puhumattakaan. Phobos, Deimos ja Eros ovat siis sisäaurinkokunnan suurimmat helposti hyödynnettävät kivisen raaka-aineen esiintymät. Pinnalta nostamisen jälkeen tapahtuva kuorman kuljettaminen esimerkiksi ulos Marsin kiertoradalta on pienempi ongelma, koska se voidaan tehdä ajoaineettomasti sähköpurjeella.

keskiviikko 16. syyskuuta 2015

Sähköpurjekolumni 35

(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.

keskiviikko 15. huhtikuuta 2015

Sähköpurjekolumni 34

(Kyseisen Avaruusluotain-lehden numeron teemana oli avaruustekniikan epäonnistumiset.)

Kuten tunnettua, ESTCube-1:n liekakoe epäonnistui. Virolaisten rakentama satelliitti toimi, mutta meidän liekarullamme ei jaksanut pyöriä joten sähköpurjelieka ei avautunut ja sähköpurje-efekti jäi mittaamatta.

Elokuussa 2012 ESTCUbe-1 -tiimi sai tarjouksen ilmaisesta laukaisusta, jos satelliitti luovutetaan jo tammikuussa 2013 eikä toukokuussa kuten siihen asti oli suunniteltu. Tarjous hyväksyttiin koska siten säästettiin rahaa. Aikataulun nopeutuminen lähes puolella aiheutti valtavan kiireen. Täristystestiä ehdittiin kuitenkin tekemään, ja siinä liekarulla alkoi odotusten vastaisesti pyöriä jonkin rullamoottorin sisäisen resonanssin takia. Tuon estämiseksi improvisoitiin rullalle laukaisulukko. Uutta täristystestiä ei kuitenkaan ehditty tehdä. Uudessa testissä olisi todennäköisesti paljastunut että rullan liukurenkaaseen syntyy tärinässä pieni kuoppa paikkaan jossa sähköisen kontaktin antava läystäke painaa sitä, ja että melko heikkovoimainen magneetiton pietsomoottorimme ei jaksa vääntää läystäkettä ylös kuopasta. Tämä huomattiin myöhemmin Aalto-1:n liekakoetta rakennettaessa ja se korjattiin ripustamalla läystäke omalla laukaisulukollaan irti liukurenkaasta.

ESTCube-1 jaksoi toimia lähes pari vuotta. Huolimatta satelliittiin jääneestä magneettisesta epäpuhtaudesta se saatiin lopulta pyörimään jopa 2 kierrosta sekunnissa, mikä saattaa olla satelliittien epävirallinen maailmanennätys. Myös sähköpurjekokeeseen kuulunut elektronitykki toimi. Tämä kaikki on erittäin rohkaisevaa seuraavia missioita ajatellen. Lopulta satelliitti sammutettiin, kun aurinkopaneelien ikäännyttyä se ei enää pystynyt tuottamaan riittävästi sähköä toiminnan jatkamiseen ja satelliitista oli jo saatu kaikki oppi mitä se pystyi antamaan.

Seuraava liekakoe lentää Aalto-1 -satelliitin mukana loppuvuodesta, ja se luovutettiin aaltolaisille pääsiäisen alla. ESTCube-1 -kokeen tunnetut ongelmat on korjattu ja testejä on tehty enemmän. Kokeessa on myös mukana enemmän diagnostiikkaa, eli jos jotain kaikesta huolimatta menee pieleen, pystymme paremmin haarukoimaan vikaa.

Vaikka jokaisen kokeen kohdalla toivotaan ennakko-odotukset ylittävää ihmesuoritusta, tilastollisesti ajatellen kokeiden ajoittainen epäonnistuminen on tyypillistä tehokkaalle ja järkevälle toiminnalle. Juuri tänään luin että SpaceX oli jälleen epäonnistunut kantorakettinsa palauttamisessa, vaikka toki lento onnistui siinä mielessä että asiakkaan hyötykuorma pääsi perille. Aikanaan myös esimerkiksi Neuvostoliiton Venus-ohjelma ylsi hyvin korkeisiin saavutuksiin, vaikka useat sarjan luotaimista toisaalta myös epäonnistuivat. Tässä ei ole mitään uutta tai mystistä, ja esimerkiksi maanpäällisessä liike-elämässä järkevä suhtautuminen riskeihin on useimmille itsestään selvää. Samat todennäköisyyslait pätevät avaruustoiminnassakin.

lauantai 7. helmikuuta 2015

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.

torstai 13. marraskuuta 2014

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.

maanantai 25. elokuuta 2014

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.

torstai 5. kesäkuuta 2014

Sähköpurjekolumni 30

Sähköpurjekolumni 5.6.2014

Osallistuin Space Propulsion -kokoukseen Kölnissä. Tämä eurooppalainen kokous järjestetään joka toinen vuosi. Sähköpurjeesta ja plasmajarrusta oli esitelmä joka sai positiivista huomiota.

Eurooppalaisten kantorakettien suhteen ollaan mielenkiintoisessa vaiheessa. Nykyinen kantorakettiperhehän koostuu Vegasta, Soyuzista ja Ariane-5:sta joka pystyy yhdellä laukaisulla viemään maasynkroniselle radalle kaksi tietoliikennesatelliitta. Ariane-5 on päätetty korvata pienemmällä raketilla, jolla tietoliikennesatelliitteja lauottaisiin tyypillisesti yksitellen. Tämän Ariane-6:n rakenteesta on nyt kuitenkin syntynyt Ranskan ja Saksan välinen kiista. Virallisen Ariane-6 -suunnitelman mukaan molemmat alemmat vaiheet käyttävät kiinteitä polttoaineita ja vain ylin eli kolmas vaihe nestevetyä. Ensimmäinen vaihe sisältäisi kolme identtistä kopioita toisen vaiheen boosterista, jolloin kokonaisuutena tarvitaan neljä identtistä kiinteää rakettia ja yksi nestevetymoottori. Kiinteät raketit tehdään Ranskassa ja nestevetyvaihe Saksassa. Saksalaiset eivät ole tilanteeseen tyytyväisiä. Heidän mukaansa suunnitelman toteuttaminen johtaisi isojen nestemoottoreiden rakentamisosaamisen häviämiseen Euroopasta. He haluaisivat että myös toinen vaihe olisi nestekäyttöinen.

Vega, Soyuz ja Ariane-5:n malleja. Kuva

En ole kantorakettiasiantuntija, mutta minusta nykyinen Ariane-6 -suunnitelma näyttää taloudellisesti järkevältä, jos reunaehto on että raketti on läpikotaisin kertakäyttöinen ja jos ei välitetä kiinteiden polttoaineiden mahdollisista ympäristöhaitoista. Kiinteiden rakettien valaminen sarjatuotantona lienee halvempaa kuin erillisen räätälöidyn nestemoottorivaiheen rakentaminen. Ylimmän vaiheen on puolestaan joka tapauksessa käytettävä nestepolttoainetta laukaisutarkkuuden ja uudelleenkäynnistysvaatimuksen vuoksi.

Samaan aikaan toisaalla SpaceX uskoo uudelleenkäytettävyyteen. Jos SpaceX onnistuu halventamaan laukaisuhintojaan uudelleenkäytettävyyden avulla, Euroopassa joudutaan pohtimaan onko valittu Ariane-6 -tie oikea vai pitäisikö seurata SpaceX:n esimerkkiä. Ilmeisesti kallein tapa mennä avaruuteen on kertakäyttöinen nesteraketti, toiseksi halvin on kertakäyttöinen kiinteä raketti ja jos laukaisutiheys on riittävä, mahdollisesti sitäkin halvempi on uudelleenkäytettävä nesteraketti. SpaceX veikkaa kolmosvaihtoehdon puolesta ja Ariane-6 kakkosvaihtoehdon. Molemmissa on riski että valittu vaihtoehto ei olekaan markkinoilla kilpailukykyinen sitten kun raketti on valmis.

Skylon. Kuva: Reactionengines.co.uk

Myös britit Skylon-avaruuslentokoneineen olivat paikalla Kölnissä. Olen ollut Skylonin suhteen aika epäileväinen, mutta osa epäilyksistäni lieveni kun juttelin Robert Bondin kanssa. Skylon on lentokentältä nouseva ja lentokentälle laskeutuva yksivaiheinen avaruuslentokone jonka polttoaine on nestevety ja joka kuljettaa kiertoradalle 15 tonnin kuorman. Sen Sabre-moottorit hengittävät ilmaa kuusinkertaiseen äänennopeuteen asti ja sen jälkeen vaihtavat rakettimoodiin jossa hapettimena on nestehappi. Vaikuttaa siltä että Sabre-moottori saattaa jopa toimia ennustetulla tavalla jos hyvin käy, mutta Skylon-aluksen suunnittelu ei ole kovin pitkällä ja monia kysymyksiä on auki. Ilmaisin heille mielipiteenäni että kannattaisi miettiä myös suunnitelmaa B jossa Skylon tekisi vain suborbitaalisen hypyn ja toisena vaiheena oleva kertakäyttöraketti nostaisi hyötykuorman kiertoradalle. He tutkivat myös Lapcat-sovellusta, joka on Sabrea käyttävä hypersooninen suihkukone joka pystyy lentämään mihin tahansa maapallolla ilman välilaskua, esimerkiksi Lontoosta Sydneyyn.

Kevyemmässä kategoriassa sveitsiläinen S3-firma kehittää pienempää kaksivaiheista avaruuslentokonetta, joka laukaistaan Airbusin selästä ja joka pystyy viemään kiertoradalle 250 kg esimerkiksi cubesateista koostuvan hyötykuorman. Laitteen alempi vaihe on siivekäs ja uudelleenkäytettävä ja ylempi vaihe kertakäyttöinen.


lauantai 8. maaliskuuta 2014

Sähköpurjekolumni 28

Sähköpurjekolumni 28.11.2013

ESTCube-1 lentää ja toimii, mutta vieläkin ilman operatiivista ohjelmistoa joka pystyisi määrittämään satelliitin asennon. Satelliitin asennonmääritysjärjestelmä käyttää aurinkoilmaisimia auringon suunnan selvittämiseen. Jokaisella kuudella sivulla on oma ilmaisimensa. Yhden sivun sensori on tosin viallinen niin että se pystyy mittaamaan vain toisen auringon kahdesta suuntakulmasta. Jäykän kappaleen asentotieto sisältää kolme muuttujaa, joten aurinkoilmaisimet eivät yksin riitä, eivätkä ne sitäpaitsi toimi satelliitin ollessa varjossa. Tästä syystä aurinkoilmaisimia täydennetään mittaamalla Maan magneettikenttä magnetometrillä ja vertaamalla tulosta mallikenttään.
Pääministeri Andrus Ansip puhuu Estcubesta Riikikogussa 17.12.2013
Auringon ja magneettikentän suuntiin perustuvaa asentotietoa täydennetään vielä gyroskoopeilla, jotka pystyvät seuraamaan asennon muuttumista itsenäisesti lyhehkön aikavälin yli. Eri anturien mittausten yhdistämiseen käytetään Kalman-suodinta. Ihannetapauksessa Kalman-suodinkäsittelyllä saadaan jatkuva, häiriötön ja tarkka asentotieto eli saadaan yhdistettyä eri asentoantureiden hyvät puolet.

Isojen satelliittien tieteellisen tarkat magnetometrit sijoitetaan yleensä useiden metrien pituisen jäykän puomin päähän, jotta satelliitin sähköjärjestelmien virrat eivät häiritsisi niitä. CubeSateissa moinen luksus ei ole mahdollista, vaan magnetometrit sijaitsevat satelliitin sisällä ja ovat siten alttiimpia häiriöille. Häiriöt pitää pyrkiä arvioimaan ja vähentämään mittauksista ennen datan käyttämistä asennon selvittämiseen.

Asentonsa muuttamiseen ESTCube-1:n on tarkoitus käyttää magneettivääntimiä eli kolmea kohtisuoraa kelaa joihin ajettavalla virralla satelliitille voidaan luoda halutunsuuntainen magneettinen dipolimomentti. Dipoli pyrkii sitten kääntymään Maan magneettikentän suuntaiseksi kuin kompassineula. ESTCube-1:n vääntimiä on koekäytetty avaruudessa ja ne näyttävät toimivan. Magneettivääntimet ovat tuttua
teknologiaa aiemmista CubeSateista. Niillä ei voi tuottaa magneettikentän suuntaista vääntömomenttia, mutta tämä ei ole ongelma naparadalla missä satelliitti lentää erisuuntaisten kenttien läpi. ESTCube-1 siis käyttää magneettikenttää sekä asentonsa määrittämiseen että sen muuttamiseen. Toiminnot eivät häiritse toisiaan koska niitä ei tehdä samanaikaisesti.

Asennonmääritysohjelmistoa on debugattu menestyksellisesti viime päivinä.  Tällä hetkellä näyttäisi siltä että asennonsäätö voidaan saadaan toimimaan suoraviivaisella työllä. Jos ja kun niin tapahtuu, sitten liekakoe voi alkaa.

torstai 6. maaliskuuta 2014

Sähköpurjekolumni 29

Sähköpurjekolumni 6.3.2014

ESTCube-1:n liekakoe ei ole vielä päässyt alkamaan, mutta tilanne näyttää lupaavalta. Kolumnin ilmestymisessähän on viive, joten en kerro enempää koska tieto ei kuitenkaan olisi ajantasaista.

Suunnittelemme CubeSat-aurinkotuulitestimissiota. Satelliitti laukaistaisiin todennäköisimmin jonkin Kuuhun menevän aluksen oheishyötykuormana ja se päätyisi ellipsiradalle, jonka lakipiste on noin Kuun etäisyydellä. Satelliitti avaa yhden 1 km pituisen liean ja on muodoltaan ja kooltaan kuten Aalto-1, eli 3-U CubeSat. Satelliitista avataan myös metrien pituiset, rullamittaa muistuttavat kiinteät puomit joihin voidaan halutessa kytkeä sama jännite kuin liekaan. Jännitteellisten puomien tarkoituksena on muuttaa potentiaalirakenne epäsymmetrisemmäksi, mikä saattaisi nopeuttaa liean sähkökenttään vangiksi jääneiden elektronien poistumista. Vangittuja elektroneja on hankala mallintaa teoreettisesti. Mittaamalla sähköpurjevoiman aikakehitys puomien jännitteen kanssa ja ilman antaa asiasta kokeellista tietoa.

Aalto-1 on 3-U:n kokoinen CubeSat. Kuva: Aalto-1
Satelliitin asennonmääritys perustuu tähtisensoriin ja aluksen asentoa säädetään vauhtipyörillä. Aina kun jokin vauhtipyöristä on asentomanöövereiden seurauksena saavuttanut maksiminopeutensa eli
saturoitunut, se jarrutetaan ja samalla kompensoidaan pyörästä satelliitin runkoon siirtyvä vääntömomentti kylmäkaasumoottoreilla. Koska rata on pääosin Maan magneettikentän ulkopuolella, asennon määrittämiseen ei voida käyttää tavanomaisia magnetometrejä eikä asentoa voida muuttaa magneettivääntimillä. Kylmäkaasumoottoreilla myös käynnistetään pyöriminen liean avaamisen aikana ja niillä voidaan tehdä
ratakorjauksia.

Satelliitissa tarvitaan ainakin jonkin verran enemmän säteilysuojausta kuin LEO-radan CubeSateissa, koska se lentää säteilyvyöhykkeiden läpi ainakin kerran menomatkalla ylös. Jos syntyvän ellipsiradan alin piste on säteilyvyöhykkeissä tai niiden alapuolella, säteilyannosta kertyy lisäksi jokaisella ratakierroksella merkittävä määrä. Suunnittelemme satelliitin ensin muuten valmiiksi, sitten katsomme kuinka paljon tilaa ja massaa ajoaineelle ja säteilysuojaukselle jää. Mitä enemmän ajoainetta ja säteilysuojausta on, sitä enemmän on erilaisia laukaisu- ja missiomahdollisuuksia. Säteilysuojaus painaa paljon mutta vie vähän tilaa, butaaniajoaineen osalta tilanne on päinvastainen. CubeSatin ulkoseinien paikat on tarkasti määritelty, kokonaismassan suhteen laukaisufirmoilla saattaa olla enemmän joustavuutta.

torstai 24. lokakuuta 2013

Sähköpurjekolumni 27

Sähköpurjekolumni 13.9.2013

ESTCube-1 lentää ilman laitevikoja, mutta liekakoetta ei ole vielä päästy aloittamaan, koska satelliitin asennonsäätöohjelmisto ei ole valmis. Sitten kun ohjelma on valmis ja testattu maassa, se päivitetään satelliittiin ja koe voi alkaa. Satelliitin kameran, päätietokoneen ja tehojärjestelmän uusia ohjelmaversioita on kesällä otettu onnistuneesti käyttöön. Kun satelliitti laukaistiin toukokuussa, sen ohjelmisto ei ollut täydellinen. Voimat oli keskitetty satelliitin rakentamiseen ja ohjelmapäivityksiä vastaanottavan alijärjestelmän toimivuuteen, koska niissä olevia puutteita ei olisi voinut laukaisun jälkeen enää korjata.

EstCube-1:n ottama kuva, jossa erottuu niin Suomen, kuin Eestinkin rantaviivaa.
(kuva on julkaistu 22.10.2013 EstCuben Facebook sivuilla.)
ESTCube-1:n aurinkopaneelien teho pieneni odotettua enemmän ensimmäisen lentokuukauden aikana. Tarkkaa syytä ilmiöön ei tiedetä eikä se uhkaa sähköpurjekokeen onnistumista.

Liekojen valmistus on kehittynyt kesällä. Tehtaan uusin versio ei enää tarvitse kaupallista bondauskonetta avukseen, vaan laite osaa bondata itsenäisesti. Liitosten lujuus on parantunut lähelle teoreettista ylärajaa noin kymmeneen grammaan, mikä kasvattaa saavutettavissa olevaa sähköpurjeen suorituskykyä. Uusi liekatehdas myös evaluoi jokaisen tuotetun bondauksen hyvyyden mittaamalla kuinka hyvin liitos läpäisee ultraääntä ja johtaa sähköä. Toisin sanoen tehtaassa on automaattinen laadunvalvonta joka keskeyttää tuotannon jos laatu huononee.

Aalto-satelliitin sähköpurjekokeen kaikki osat rakennetaan Suomessa. Helsingin yliopisto tekee liean ja Ilmatieteen laitoksen avustamana myös liekarullan ja kärkimassan. Elektroniikkakortin tekee Ilmatieteen laitos käyttämällä alihankkijana toijalalaista Skytron-firmaa. Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorio rakentaa elektronitykit. Tykkien nanografiittikatodit toimitti professori Alexander Obraztsov Itä-Suomen yliopistosta ja Moskovan valtionyliopistosta.

Yksi uudella liekatehtaalla tuotettu 100 m pitkä lentokelpoinen nelilankainen lieka keloineen on valmis ja toiselle 40 m pitkälle liealle tehtiin onnistunut avaamiskoe. On tarkoitus tuottaa useita 100 m pitkiä liekoja. Paras lieka lentää ja yksi käy Tartossa täristettävänä ennen Helsingissä tehtävää uutta avaamistestiä. Näin varmistetaan että lieka avautuu kelalta myös laukaisutärinän jälkeen.

                                                                                                            Pekka Janhunen

keskiviikko 15. toukokuuta 2013

Sähköpurjekolumni 26

Sähköpurjekolumni 15.5.2013

ESTCube-1 laukaistiin onnistuneesti 7.5.2013 ja satelliitti näyttää toimivan. Satelliittiin on myös jo onnistuneesti tehty yksi tehojärjestelmän ohjelmistopäivitys. Kamera, asennonsäätöjärjestelmä ja keskustietokone ovat ohjelmistoiltaan vielä puutteellisia ja lopullisten versioiden kirjoittaminen on käynnissä. Ohjelmistoja päivitetään satelliittiin sitä mukaa kun niitä valmistuu ja saadaan testatuksi. Näyttää siltä että liekaa päästäisiin avaamaan ja sähköpurjevoimaa mittaamaan elokuussa.

Kolmivuotinen sähköpurjeen kehittämiselle omistettu EU-hankkeemme ESAIL loppuu tämän vuoden marraskuussa. Kilometrin pituinen lieka saatiin valmistettua viime syksynä ja etäyksikön prototyyppi läpäisi testit helmikuussa, joten loppuraporttiin voidaan kirjata että hankkeen kunnianhimoiset tavoitteet saavutettiin. Apulieoilla stabiloitu sähköpurjekonstruktio joka skaalautuu 1 N työntövoimaan asti on nyt TRL-tasolla 4. Arvioiden mukaan yhden newtonin purje apulaitteineen painaa 100-200 kg. Verrattuna kemiallisiin raketteihin ja ionimoottoreihin tuollaisen laitteen suorituskyky (työntövoima kertaa toiminta-aika jaettuna massalla) on päätä huimaava.

Toisaalla tässä lehdessä on Jouni Envallin artikkeli ESTCube-1:n laukaisusta. Aikaisemmissa numeroissa on käsitelty sähköpurje-efektin sovelluksia yhdeksän kertaa: avaruusromun torjunta, asteroidien torjunta, lento ulos aurinkokunnasta, jättiläisplaneettojen ilmakehäluotaimet, kiertoajelu asteroidivyöhykkeellä, jatkuvaa voimaa vaativat radat, Merkurius, Kuiperin vyöhyke ja Mars-logistiikka.

ESA Technology Image of the Week.
 Sähköpurjetta ja sen sovelluksia kohtaan tunnetaan nousevaa kiinnostusta ESA:ssa ja muissa avaruusjärjestöissä. Julkisuuteen näkyivät ainakin sähköpurjeaiheinen artikkeli maaliskuun ESA Bulletin -lehdessä ja sähköpurjeliekakuvan esiintyminen 27.3. ESA:n pääsivulla "Technology Image of the Week" -kohdassa. Pidin pari viikkoa sitten esitelmän Glasgowssa avaruusteknologia-aiheisessa kokouksessa, jossa oli vain kutsuttuja esityksiä. Kokoukseen osallistui myös NASA:n teknologiajohtaja Mason Peck, joka tuli onnittelemaan esityksen jälkeen. Ennen teknologiajohtajan virkaan valintaansa Peckillä oli hanke, jossa tutkittiin jälkikäteen arvioiden hieman sähköpurjeen tapaista konseptia. Siinä maksimoitiin aluksen kapasitanssi suhteessa ympäröivään plasmaan varustamalla se pitkillä lieoilla. Sitten alus olisi varattu elektronitykillä tai muulla keinolla jolloin siihen syntyy suurehko sähkövaraus. Sen jälkeen alus olisi saanut työntövoimaa luonnon sähkö- ja magneettikenttien siihen kohdistamasta Lorentzin voimasta. Kyseinen Lorentzin voima on kuitenkin heikko, minkä myös Peck oli huomannut. Vasta kun otetaan huomioon että alus ei liiku tyhjiössä vaan virtaavassa aurinkotuuliplasmassa ja että liekojen sähkökentät häiritsevät virtausta, huomataan Lorentzin voimaa paljon suuremman sähköpurjevoiman olemassaolo. Peckin julkaisu on vuodelta 2010 ja sähköpurje oli keksitty 2006, mutta hän ei ilmeisesti ollut tietoinen sähköpurjeesta työtä tehdessään.

Kerroin Avaruusluotaimessa ensimmäisen kerran syyskuussa 2011 italialaisesta Andrea Rossin reaktorista eli väitetystä uudesta tavasta vapauttaa ytimien sidosenergiaa vedyn ja nikkelin välisellä reaktiolla, joka ei tuota radioaktiivista säteilyä. Laitteen uudemman ja kuumemman version huolellinen testaus on ollut käynnissä syksystä 2012 lähtien neljän yliopiston voimin ja testien tuloksia odotellaan julkaistaviksi lähiaikoina vertaisarvioidussa lehdessä. Jos laite toimii väitetyllä tavalla, se käytännössä mahdollistaa ikuisen, rajattoman, saasteettoman, yksinkertaisen, halvan ja hajautetun energian tuotannon, joka on riippumaton ympäristön olosuhteista ja raaka-aineista.

Pekka Janhunen

torstai 17. tammikuuta 2013

Esail Finland - FC Murphy 3-3

Sähköpurjekolumni 25, 17.1.2013

FC Murphy on hankalan joukkueen maineessa. Pelaajamateriaali on laajaa, henkilökohtainen taitotaso kova ja luovuutta löytyy. Kokeneemmat avaruuspalloilijat muistavat Murphyn legendaarisen 7-0 voiton Nasan A-joukkueesta 1986 Challenger-turnauksen loppuottelussa. Myös yksityisseura Moskova Jugend on kontannut Murphy-otteluissa, vaikka onkin viime aikoina hallinnut paikalliskamppailuita Leningrad Marxia vastaan. Murphy-luotsi Arponen tietää miten peluutetaan vastustajan puolustus pihalle loppuminuuteilla.

Lähtökohtaisesti illan ottelu oli siis epätasainen. Vieralija Murphyä vastassa oli melko tuntematon Esail Finland, jolla huhupuheiden mukaan oli palkanmaksu viime aikoina vähän tökkinyt. FC Murphy taisi luottaa kokemukseensa eikä laittanut parhaita pelaajiaan avaukseen.

Ensimmäinen puoliaika oli vähän pelailua puolin ja toisin, eikä maaleja syntynyt, vaikka Murphy selvästi painosti. Toisen puoliskon alussa ESF yllättäen avasi maalihanat, kun nätin Seppänen-Rauhala -kuvion päätteeksi Ukkonen vetäisi ylärimaan, josta pallo kimposi valkoviivan taakse maalivahti Keinosen selän kautta. Joku huuteli katsomosta että kumman puolella sä spelaat, mutta murphylaiset oli koulutettu sulkemaan korvansa. Kymmenen metrin nelilankalieka oli tuotettu ja asennettu satelliittiin. Murphy tästä sisuuntuneena pisti hillittömän prässin päälle, mutta tulosta ei meinannut tulla. Mutta ajassa 85 Rosta ja Zesta olivat sijoittuneet väärin keskikentällä, ja Murphyn espanjalaiskärki Sin-Resonancia pääsi läpi ja vetäisi huiman banaanin, jonka lähtöä maalivahti Allik ei kunnolla nähnyt. Tärinätestissä kela alkoi pyöriä, kun alunperin DLR:n suunnitelmissa ollut laukaisulukko oli jätetty "tarpeettomana" pois, koska moottorin sisäinen kitka tuntui riittävän suurelta. Taajuudella 250 Hz täristettäessä moottori alkoi kuitenkin pyöriä itsekseen, mikä tietenkin katkaisi liean. Kokeen jatkaminen hakkasi löystyneen liean linnunpesäksi jota siivottiin Estcuben sisältä pitkälle yöhön.

ESF lähti hakemaan vimmatusti tasoitusta. Virolaispelaajat improvisoivat laukaisulukkokuvion ja suomalaiset lähtivät punomaan uutta liekaa. Tulosta syntyikin. Taas kerran Seppänen oli pahanteossa antamalla Rauhalalle vapauttavan syötön ja Ukkosen tykki puhui kohti tyhjää maalia, mutta kuti meni tolppaan ja kieppui siitä puhdashuoneen lattialle. Liekatehtaan sivuttaissiirtomoottori oli sanonut työsopimuksensa irti, kun liekaa oli tehty 6 metriä. Mutta tutkapari Seppänen-Rauhala vyöryi toisena aaltona maalille, uunotti helpon näköisesti Keinosen ja väänsi 2-2 tasoituksen. Oli siirretty 10 metriä aiemmin tehtyä liekaa Estcuben lentomallikelalle.

Aikaa oli enää minuutti, aloitus vietiin keskialueelle ja Murphy aloitti hurjan rynnäkön. Tasapeli ei riittänyt, vaan Arponen himoitsi ESF:n päänahkaa. Rynnistys vähän lamaannutti poikia ja minuutin sisällä Murphy tekikin 3-2 johtomaalin suoraviivaisen satunnaiskuvion päätteeksi. Testissä huomattiin että jo kerran kelalta toiselle siirretty lieka ei tässä tapauksessa tullutkaan luotettavasti ulos vaan takkuili. Stadionin kello näytti yliaikaa ja hetki jännitettiin soiko Arianon päätöspilli, mutta tuomari vei pallon keskelle ja peli jatkui.

ESF voitti tärkeän aloituksen. Kello oli 7:20 tiistaiaamuna ja Rauhala ja Ukkonen lähtivät heti rakentamaan hyökkäystä. Kaksi maalia ottelussa syöttänyt libero Seppänen oli otettu pois kentältä ja tilalle oli vaihdettu "Juoni" Envall. Yllättävän helposti noustiin Murphyn maalille. Liimaa täytyi lämmittää puhaltimella koska se ei muuten tahtonut kuivua. Maalin edessä alkoi armoton bondaus. Rauhalan luja veto lähti kohti maalia, mutta kimposi puolustajasta takaisin keskialueelle. Murphyn miehet katsoivat tuomariin ja näyttivät kelloa, mutta Ariano antoi pelin jatkua. Kuumuus oli rikkonut liekatehtaasta toisen klämpin, minkä takia peruslanka katkesi ja homma jouduttiin aloittamaan alusta. Kuvio saatiin taas nopeasti pystyyn ja noustiin maalille. Valmentaja Janhunen huusi sivurajalta että laittakaa vielä 5 metriä suoraa lankaa ja sitten bondatkaa. Yllättävä kahden langan bondauskuvio taisi sekoittaa Murphyn tähtipelaajien pasmat hetkeksi, kun Rauhalan pystysyötöstä Juoni vetäisi pallon kylmästi maaliin. Keinonen syöksyi kuin parhaina päivinään, mutta nappulakenkä oli sekunnin kymmenyksen myöhässä, lieka oli jo lautalla matkalla kohti Harjumaata. Kisamaskotti "Toivanen" ryntäsi kentälle halailemaan pelaajasankareita. Ajassa 04:20 Tartto tiedotti: torjuntavoitto, tasapeli 3-3.

Avaruuteen lentää 16 metriä 50 mikronin tavallista lankaa ja sen päässä 3.5 metriä 2-lankaista liekaa. Eli ei ihan se kymmenmetrisen nelilankaliean voitto mitä tultiin hakemaan, mutta päätavoitteita puolustettiin onnistuneesti ja noustiin viime sekunneilla tasoihin ja mukaan jatkopeleihin Estcube-turnauksessa. Avaruusturnauksissahan on tapana pelata alkulohkot häviöstä poikki -menetelmällä. On mahdollista että sähköpurje-efekti mitataan Estcubella ja että ultraäänibondatun liean TRL-taso nousee seitsemään.

Pekka Janhunen

torstai 30. elokuuta 2012

ESTCube loppusuoralla

Sähköpurjekolumni 30.8.2012

ESTCube-1 -piensatelliitin aikataulu aikaistuu: satelliitin luovutus on näillä näkymin joulukuussa ja laukaisu maaliskuussa. Tällä hetkellä ei ole vielä varmaa ehditäänkö kaikki saada valmiiksi ja testattua syksyn aikana, mutta yritys on kova. ESTCube-1:n laukaiseminen nopeutetussa aikataulussa olisi hyvä koska silloin ESTCube-1:n tulokset ja mahdollisesti ilmenevät ongelmat ehditään ottaa huomioon Aalto-1 -satelliittia rakennettaessa.

Viron ensimmäinen satellitti valmistumassa.
 Ensimmäinen yritys kilometrin pituisen nelilankaisen liean tekemiseksi on suunnitelmissa aloittaa lähipäivinä. Jos kaikki menee hyvin, työ kestää pari viikkoa. Harjoituksena ESTCube-1 lentomallin tuotantoa varten tehtaalla tuotettiin viime viikolla kymmenmetrinen lieka. Automaattinen tuotanto kesti kolme tuntia ja se keskeytyi kerran laitteen omaan virheilmoitukseen joka fiksattiin manuaalisesti. Nyt tuotettava lieka on muuten lopullisen kaltaista paitsi että sen silmukkalangoissa on tuotantomenetelmästä johtuvat ylimääräiset taitokset. Taitoksista on tarkoitus päästä eroon liekatehtaan seuraavassa kehitysversiossa, vaikka taitoksiakin sisältävä lieka kelpaisi hyvin ESTCube-1 ja Aalto-1 -satelliitteihin. Lieka tuotetaan suoraan avaruuteen lentävälle puolalle. Vaikka liean voi periaatteessa siirtää kelalta toiselle, sitä ei tehdä koska ohuen liean turhaa käsittelyä halutaan välttää.

Andrea Rossin reaktorikeksintö on edennyt nopeasti. Hän on nostanut ytimen lämpötilan tuhanteen asteeseen, 10.9. on luvassa tarkempi raportti ja lokakuussa riippumattomien yliopistotahojen antama testiraportti. Toisaalta Francesco Celani (Frascatin kansallinen laboratorio) demonstroi ICCF-17 -kokouksessa Koreassa 10-18.8. omaa nikkeli-vetyreaktoriaan. Professori Celanin laite tuottaa parinkymmenen watin tehon ja se on tietyllä tavalla pintakäsitelty metrin pituinen ohut konstantaanilanka vetykaasussa. Vaikka Celanin tutkimusreaktorin teho on pieni, langan tehotiheys on suuri ja ylittää kemiallisen rajan minuuteissa. Reaktori oli päällä kokousviikon ajan ja Celani kertoo ajaneensa sitä aiemmin pari kuukautta, jossa ajassa se ylitti kemiallisen rajan 40000-kertaisesti. Ydinreaktioissahan vapautuu enimmillään miljoonia kertoja enemmän energiaa kuin kemiallisissa reaktioista.

Ainakin toistaiseksi Rossin reaktori vaatii kuudesosan tuottamastaan lämmöstä sisään sähköenergiana. Tämän takia reaktorin lämpötila on tärkeä: jos reaktori on riittävän kuuma, se voi pyörittää generaattoria, joka tuottaa sähköä paremmalla kuin kuudesosan hyötysuhteella. Sen jälkeen laitteisto voi tuottaa lämpöä ja sähköä kuten fissiovoimala.

Rossin reaktorin uusimman version teho-painosuhde 2 kW/kg riittää periaatteessa lentämiseen. Ehkä pitäisi kaivaa esiin Convairin ja neuvostoliittolaisten ydinkäyttöisen suihkukoneen suunnitelmat 1950-luvulta.


Pekka Janhunen

tiistai 10. huhtikuuta 2012

Aurinkotuulitestimissio SWEST


Aurinkotuulipurje on kotonaan vapaassa aurinkotuulessa,
Maan magneettikentän vaikutusalueen ulkopuolella. Kuva: NASA
Sähköpurjekolumni 10.4.2012 

 Haemme mahdollisuutta toteuttaa sähköpurjeen aurinkotuulitestimissio. Vaihtoehtoja on suurehko määrä. Esimerkiksi voidaan rakentaa tavallinen satelliitti, jonka tehtävänä on pelkästään sähköpurjeen testaus. Tästä tehtiin viime syksynä EU-hakemus SWEST, joka ei kuitenkaan mennyt läpi. Italialaiset yrittävät nyt saada sitä läpi eri reittiä. Sähköpurjekoe voitaisiin myös asentaa osaksi jotakin toista satelliittia. Pidin tästä esityksen maaliskuussa ESA:n GSTP6-kokouksessa.

Kaikissa tapauksissa on lisäksi vaihtoehtoina käyttää pelkkiä liekoja, liekojen päissä olevia etäyksiköitä tai etäyksiköitä ja apuliekoja. Jos käytetään pelkkiä liekoja, satelliitissa täytyy olla propulsiojärjestelmä jolla tuotetaan liekojen avaamiseen tarvittava liikemäärämomentti. Jos lieat ovat 250 m pitkiä ja niitä on neljä, siihen riittää esimerkiksi sata grammaa butaania. Tätä lyhyempiä liekoja ei aurinkotuulikokeessa kannata käyttää, koska jännitteellisinä niiden ympärille muodostuva elektronivyöhyke on jo itsessään satakunta metriä leveä. Jos käytetään etäyksiköitä, nekin tarvitsevat propulsiota avausvaiheessa, mutta vähemmän koska niiden voiman varsi on liean mittainen. Etäyksikön propulsiona on tutkittu butaanimoottoria, FEEP-moottoria ja pientä fotonipurjetta.

Aurinkotuulitestimission voisi todennäköisesti tehdä kuutiosatelliitillakin, jos sen saisi jollakin keinolla aurinkotuuleen. Tähän mennessä kuutiosatelliitteja on laukaistu vasta LEO-radalle, mutta kaavailuja GTO-laukaisuista ja jopa Kuun radalle menevästä laukaisusta on näkynyt. On periaatteessa mahdollista rakentaa kuutiosatelliittiin propulsiojärjestelmä, joka pystyy nostamaan sen GTO-radalta aurinkotuuleen.

LEO, GEO ja GTO. Kuva: Basura
Yksi tällainen mahdollisuus voisi olla Cornellin yliopiston käynnistämä hanke kuutiosatelliittiin mahtuvan elektrolyysipropulsion rakentamiseksi. Elektrolyysipropulsiossa ajoaineena on vesi, jota satelliitti hajottaa elektrolyysillä vedyksi ja hapeksi käyttämällä aurinkopaneelien antamaa tehoa. Kaasut kerätään välivarastoon painesäililöihin, jotka tyhjennetään polttamalla rakettimoottorissa kun halutaan työntövoimaa.

NASA ja USA:n ilmavoimat tutkivat elektrolyysipropulsiota 1990-luvulla, mutta luopuivat leikistä jossain vaiheessa. Olen noin 5 vuotta puhunut elektrolyysipropulsion puolesta eri yhteyksissä, joten oli mukava kuulla että Cornell on tarttunut asiaan. Elektrolyysipropulsion ominaisimpulssi on parempi kuin hydratsiinilla ja lisäksi päästään eroon myrkyllisestä ja räjähdysherkästä aineesta. Haittana on ratanostoon kuluva muutaman kuukauden aika, joka on kuitenkin lyhyempi kuin ionimoottoreilla. Elektrolyysipropulsio ei tosin taivu pitkään yhtenäiseen polttoon, joten se ei toimi planeettaluotaimen perinteisen tyylisessä lähettämisessä. Mutta planeettaluotaimethan voivat käyttää sähköpurjetta heti noustuaan aurinkotuuleen. Ehkä tulevaisuudessa satelliitteja siirtelevät elektrolyysialukset tankkaavat asteroideilta peräisin olevaa vettä, joka on tuotu maan kiertoradalle sähköpurjeilla.

Jos GTO-kuutiosatelliittilaukaisuja on tulossa, sähköpurjeen aurinkotuulitestimissiossa meidän täytyy nousta vain GTO-radalta aurinkotuuleen, johon tarvittava impulsiivinen delta-v on noin 500 m/s. Siihen saattaisi riittää ESAIL-hankkeessa kehitettävä butaanimoottori, jos satelliitin muut osat saadaan keveiksi tai jos käytettävissä on isompi kuin kolmen yksikön kuutiosatelliitti.

Pekka Janhunen

perjantai 3. helmikuuta 2012

Etäyksikön suunnittelua


Remote Unit Component Design Review -kokouksen osallistujat Upsalassa 7.-8.11.2011.
Kuva: Sini Merikallio
Sähköpurjekolumni 3.2.2012 

EU-projektissa kehitettävässä sähköpurjeessa jokaisen liean päähän tulee niin sanottu etäyksikkö, jotka sidotaan toisiinsa rei'itetystä muovinauhasta tehdyillä apulieoilla. Varmuuden vuoksi kukin apulieka avataan kahdesta suunnasta eli jokainen etäyksikkö sisältää kaksi apuliekakelaa. Etäyksikössä on myös pieni rakettimoottori, jonka avulla sähköpurjetakila pannaan pyörimään samalla kun sitä avataan. Etäyksiköiden moottoreilla saatetaan myös säätää takilan pyörimisnopeutta myöhemminkin, jos tarve vaatii. Etäyksikön moottori on joko tavallinen kylmäkaasumoottori tai pieni FEEP-ionimoottori. Kumpaakin vaihtoehtoa kehitetään rinnakkain.

RU Component Design Review -kokouspöytä Upsalassa 9.-10.1.2012.
Kuva: Sini Merikallio
Etäyksikön suunnittelu on ollut varsin mielenkiintoinen insinööritehtävä. Päävastuun siitä kantavat ruotsalaiset, kun taas elektroniikkaa tulee Virosta, apuliekarullat Saksasta ja FEEP-moottori Italiasta. Mielenkiintoisen siitä tekee se että etäyksikön pitää pystyä toimimaan 0.9-4 AU:n etäisyyksillä auringosta ja toisaalta siitä halutaan tehdä mahdollisimman kevyt, mielellään alle puolikiloinen. Lämpösuunnittelua helpottaa se että etäyksikön auringon puoleinen sivu on aina sama, joskin 60 asteen kääntymä perusasennosta sallitaan. Auringon puolella on aurinkokennoilla päällystetty levy, jonka takana varjossa oleva laatikko sisältää elektroniikan ja muut lämpötilavaatimuksiltaan kriittiset osat. Jos laatikosta kytkettäisiin sähköt pois, se jäähtyisi hitaasti varsin matalaan lämpötilaan, mutta melko pieni teho riittää pitämään sen sisälämpötilan halutuissa rajoissa. Tämä teho saadaan aurinkopaneeleista myös 4 AU:n etäisyydellä.

RU Component Design Review -kokouspöytä Upsalassa. Petri Toivanen on iloisella tuulella.
Kuva: Sini Merikallio
Etäyksikön suunnittelu on ollut mielenkiintoista, koska se ei ole vain laatikko johon tarvittavat komponentit ladotaan, vaan laitteen muotoon vaikuttavat hyvin monet eri tekijät. Esimerkiksi laitteen painopiste ei saa siirtyä liikaa kun kylmäkaasumoottorin tai FEEP-moottorin ajoaine kuluu eikä moottorin melko leveä suihku saa osua laitteen mihinkään osaan eikä etenkään apu- tai pääliekaan. Painopisteen täytyy myös pysyä selvästi apuliekojen kiinnityskohdan ulkopuolella, koska muuten yksikkö voisi kiepsahtaa ympäri lennon aikana jolloin aurinkopaneeli jäisi varjoon. Aurinkosuojan täytyy estää auringonvalon osuminen elektroniikkalaatikkoon myös 60 asteen kallistuskulmalla, joten laatikosta tehtiin mahdollisimman matala ja aurinkosuojan reunat taivutettiin sisäänpäin. Laitteen pitää olla riittävän tukeva kestääkseen laukaisutärinän ollessaan kiinnitettynä pääaluksen kylkeen, mutta toisaalta elektroniikkalaatikon ja aurinkosuojan välisten kiinnikkeiden täytyy olla riittävän hennot, jotta ne eivät muodosta jäähdyttävää lämpösiltaa 4 AU:ssa. Ratkaisu oli ripustaa elektroniikkalaatikko ja apuliekarullat erikseen pääalukseen, jolloin mainittujen hentojen kiinnikkeiden riittää kantaa laukaisutärinän aikana vain suhteellisen kevyen aurinkosuojalevyn värähtelevä massa. Näin kiinnikkeet saatiin ohuemmiksi ja niiden lämpövuodot pienemmiksi, mikä vähensi tehonkulutusta 4 AU:ssa ja teki siten mahdolliseksi pienentää ja keventää aurinkopaneelia ja aurinkosuojaa, jolloin kiinnikkeet saatiin entistäkin ohuemmiksi. Laite keventyi tämän ansiosta yli kilosta nykyiseen 550 grammaan.

Pekka Janhunen

Tästä videosta käy ilmi etäyksiköiden rooli.

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.

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

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.

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

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