Suomalaiskeksinnöllä toisille planeetoille
22.2.2011
SÄHKÖINEN AURINKOPURJE
Alexandre Szames, piirros
Planeettainvälisiä lentoja tekevät avaruusalukset saattavat pian käyttää hyväkseen pitkistä metallilangoista koostuvaa purjetta. Sähköpurje, joka on halkaisijaltaan yli kymmenen kilometriä, voi kiihdyttää alukset jopa 180 000 kilometrin tuntinopeuteen.
Ilmatieteen laitoksen tutkijan Pekka Janhusen sähköpurjekeksintöön ei aluksi oikein innostuttu, mutta tilanne muuttui, kun Janhunen sai joulukuussa 1,7 miljoonaa euroa Euroopan unionin tutkimusrahaa purjeideansa kehittelemiseen ja prototyyppien rakentamiseen.
Janhusen sähköpurje ei ole perinteinen aurinkopurje, sillä se ei käytä aurinkotuulta vaan Auringon säteilypainetta. Aurinkotuuli koostuu lähestulkoon kokonaan sähköisesti varatuista hiukkasista. Niiden sähköinen työntövaikutus on jopa noin 5 000 kertaa suurempi kuin dynaaminen paine eli hiukkasten puskuvoima, joka kohdistuisi kiinteään purjeeseen.
Koska kyse on sähköisestä vaikutuksesta, voidaan purje rakentaa ohuista sähköjohtimista, jotka ovat tasaisen välimatkan päässä toisistaan. Lankojen ympärille muodostuva sähkökenttä ulottuu kymmenien metrien etäisyydelle yksittäisistä langoista, ja näin aurinkotuulen kannalta langat ovat varsin paksuja ja koko purje sähköisesti läpitunkematon.
Hankaluutena on kuitenkin se, että käyttökelpoisen työntövoiman saamiseksi lankoja pitää olla noin sata kappaletta, niiden pitää olla mieluiten yli kymmenen kilometrin pituisia ja ne pitää levittää tasaisesti avaruuteen aluksen ympärille. Paras ratkaisu on pakata 20 mikrometrin paksuiset langat pieniin keloihin, sijoittaa kelat tasaisin välimatkoin pyöreän aluksen ulkopinnalle ja laittaa alus pyörimään pituusakselinsa ympäri. Tällöin langat leviävät keskipakovoiman ansiosta levälleen.
Lankojen ja niiden kelasysteemien lisäksi sähköpurjejärjestelmään kuuluu noin kilowatin - siis pienen hiustenkuivaajan - tehoinen elektronitykki, jonka tehtävänä on varata lankoja sähköisesti. Langat tulee pitää positiivisessa potentiaalissa ympäröivään aurinkotuuliplasmaan verrattuna. Virtansa tykki saa aurinkopaneeleista.
Oppia helikoptereilta
Sähköpurjeen lankojen avaaminen kestää parisen viikkoa, koska kilometrien pituisten lankojen ulosvinssaaminen ottaa aikansa. Avausnopeudeksi kaavaillaan puoli senttiä sekunnissa. Muutamassa kohdassa avaamista täytynee myös hieman hidastaa, koska langat on kiinnitetty toisiinsa poikittaisilla langoilla. Tämä on tärkeää, jotta langat eivät sotkeentuisi keskenään.
Poikittaislangat ovat hyödyksi myös silloin, jos langat napsahtavat poikki esimerkiksi mikrometeorien iskuista. Tosin tätä varten yksittäiset langat koostunevat ainakin neljästä erillisestä säikeestä.
Toiminnassa oleva sähköpurje on siis noin 40 kilometriä halkaisijaltaan oleva rakennelma, jonka keskellä on pieni, akselinsa ympäröivä avaruusalus, ja siitä ulospäin avaruuteen sojottaa liuta johtimia.
Itse avaruusaluksessa on asennonsäätörakettimoottorit, joilla alustaa ja siten lankojen muodostamaa tasoa voidaan kääntää haluttuun asentoon. Näin ”tuuli” saadaan ”puhaltamaan” siihen sopivassa kulmassa, ja aluksen ohjaaminen onnistuu samaan tapaan kuin purjeveneessä.
Jos suunta on suoraan ulospäin Auringosta, kiihtyvyys on kaikkein suurin. Tällöin alus voi saavuttaa lopulta yli 50 kilometrin sekuntinopeuden. Teoreettisesti nopeus voisi olla jopa satakunta kilometriä sekunnissa. Tosin purjeella on mahdollista myös luovia tuulta vastaan ja jarruttaakin - jälleen samaan tapaan kuin maanpäällisillä merillä.
Laivoista poiketen sähköpurjetta voidaan ohjata samalla tavoin kuin helikopterin roottoria. Kun muutetaan lankojen sähkövarausta jatkuvasti pyörimisliikkeen kanssa samaan tahtiin, voidaan esimerkiksi purjeen vasen puoli laittaa toimimaan tehokkaammin kuin toinen puoli, jolloin ohjaaminen onnistuu helpommin.
Voimavektorin suuntaa voidaan kääntää näin parikymmentä astetta puoleen tai toiseen. Lisäksi sähkövarausta muuttamalla purjeen tehoa voidaan säätää portaattomasti.
Pikakyyti Plutoon
Tehokkaimmillaan sähköpurje on lennoilla, joilla esimerkiksi käydään tutkimassa lähietäisyydeltä jotain aurinkokunnan kaukaista kohdetta. Esimerkiksi matka Plutoon voisi taittua muutamassa vuodessa.
Ongelmana näillä lennoilla on kuitenkin se, että aluksen kiihdyttäminen sähköpurjeella onnistuu hyvin lähellä Aurinkoa, mutta jarruttaminen kaukana on käytännössä mahdotonta. Aluksen massan tulee tällöin olla varsin pieni, ja mukaan voisi ottaa vain satakunta kiloa tutkimuslaitteita, mutta uusi teknologia mahdollistaa jo tämän.
Toinen kätevä käyttömahdollisuus sähköpurjeelle on liikkuminen sisemmässä aurinkokunnassa taivaankappaleelta toiselle, koska täällä alus voi kiihdyttää ja jarruttaa purjeen avulla. Yksi käyttömahdollisuus olisi esimerkiksi raaka-aineiden kuljettaminen asteroideilta maapallolle, sillä tonnien painoiset kuormat siirtyisivät helposti sähköpurjeilla.
Aikaa näin raskaiden lastien kuljettamiseen kuluisi paljon, mutta toisaalta ”polttoaine” on ilmaista.
Liikkumisen lisäksi sähköpurjetta voisi käyttää myös paikallaan pysymiseen. Avaruudessa on pisteitä, joissa Auringon ja muiden taivaankappaleiden vetovoimat lähestulkoon kumoavat toisensa, jolloin näissä pisteissä oleva avaruusalus voi pysyä lähes paikallaan. Pysyminen näissä pisteissä vaatii kuitenkin jatkuvaa pientä ohjaamista, ja tässä sähköpurje olisi omiaan.
Viro vahvasti mukana
Sähköpurje päässee ensimmäisen kerran avaruuteen virolaisen opiskelijasatelliitin kyydissä mahdollisesti ensi vuoden lopulla. ESTCube-1 on Tarton yliopiston opiskelijoiden kehittämä piensatelliitti, joka testaisi purjeen perustekniikkaa kymmenen metriä pitkällä langalla.
Näin lyhyt lanka ei tuota tarpeeksi voimaa satelliitin ohjaamiseen, mutta kun satelliitti lankoineen lentää Maan luona olevan sähköisesti varatun plasman läpi, kohdistuu lankaan pienen pieni voima. Se voidaan mitata ja näin purjeen perusajatuksena oleva efekti voidaan ensimmäisen kerran todeta.
Periaatteessa tällaista pitkää, varattua lankaa voitaisiin myös käyttää hyväksi, kun satelliitti halutaan saada palautettua nopeasti ja turvallisesti Maahan sen käyttöiän loputtua. Nyt satelliitit ajetaan ajas tuhoutumaan Maan ilmakehässä niiden omilla rakettimoottoreilla, mutta sähköjarrua käyttämällä polttoaine voitaisiin käyttää vielä satelliitin normaaliin toimintaan.
Pienikokoinen, sähköinen lankajarru voisi olla kätevä vakiovaruste satelliiteilla. Jarrun avulla kaikki satelliitit voitaisiin saada tehokkaasti alas, sen sijaan että ne jäisivät avaruusromuksi taivaalle.
Tekniikkaa tullaan testaamaan virolaissatelliitin jälkeen todennäköisesti myös sen suomalaisella kollegalla, sillä koelaite on hyvin todennäköisesti Aalto-yliopistossa suunnitteilla olevan Aalto-1-satelliitin yksi hyötykuormista. Tosin tässäkin virolaisilla on näppinsä pelissä, sillä Aalto-hankkeen vetäjä on Suomenlahden eteläpuolelta.
Tekniikkaa markkinoidaan virolaisvoimin myös Euroopan avaruusjärjestössä.
”Suhtautuminen sähköpurjeeseen on todellakin muuttunut viime aikoina, ja kiinnostus on lisääntymässä”, sanoo Euroopan avaruustekniikkakeskuksen ESTEC:n työntövoimalaboratoriossa työskentelevä virolainen Urmas Kvell. Hän uskoo, että sähköpurjeella kiidetään pian planeettainvälisessä avaruudessa.
Jari Mäkinen (tiivistelmä TM:n 4/11 artikkelista, s. 48-50)
 Osta juttu |
 Tilaa sms:llä |  Tilaa APE:lla |
 Lähetä kaverille |
 Tulosta |