sähköpurje

ESA tutkii sähköpurjeella tehtävää asteroidien kiertoajelua

Ma, 01/18/2016 - 18:35 Markus Hotakainen
Sähköpurje

Sähköpurje on Ilmatieteen laitoksella keksitty käänteentekevä avaruusalusten vauhditusmenetelmä. 15. tammikuuta Ilmatieteen laitoksessa käynnistyi Euroopan avaruusjärjestön ESA:n rahoittama kaksivuotinen projekti, jossa tutkitaan sähköpurjeen käyttöä asteroidivyöhykkeen kiertoajelu-tyyppisellä lennolla.

Koska sähköpurje ei tarvitse lainkaan ajoainetta, se pystyy siirtymään asteroidilta toiselle periaatteessa loputtomasti. Asteroideja on suuri määrä ja kaikkia tai edes edustavaa otosta niistä on vaikea tutkia perinteisellä menetelmällä kuten ionimoottorialuksella. Silloin jokaista kiinnostavaa asteroidia varten tarvittaisiin yleensä uusi avaruusalus laukaisuineen. 

"Tämän takia on tehokkaampaa tutkia asteroidivyöhykettä käyttämällä sähköpurjetta, koska silloin samalla missiolla voidaan tutkia suurempaa määrää asteroideja", toteaa tutkija Pekka Janhunen.

Samaan aikaan NASAn Marshall Space Flight Centerissä Alabamassa on käynnissä oma HERTS-niminen sähköpurjeprojekti. Siinä tutkitaan sähköpurjeen käyttöä lennolla, jonka tarkoitus on matkata ulos Aurinkokunnasta tähtienväliseen avaruuteen.

Kuva: Alexandre Szames

Uutinen perustuu Ilmatieteen laitoksen julkaisemaan tiedotteeseen.

NASA valitsi suomalaiskeksinnön jatkokehitetykseen

Ke, 07/08/2015 - 17:07 Jari Mäkinen
Sähköpurje

Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallinto NASA on valinnut Ilmatieteen laitoksen tutkijan Pekka Janhusen kehittämän sähköisen aurinkotuulipurjeen periaatteeseen perustuvan HERTS-projektin jatkokehitettäväksi.

Kyseessä on NASAn tulevaisuuden tekniikoita hahmotteleva projekti (NASA Innovative Advanced Concepts, NIAC), joka valitsee joka vuosi muutamia hankkeita ehdotusten perusteella kehitettäväksi eteenpäin, ensin vaiheeseen 1 ja sitten toiseen vaiheeseen. Monet näistä jäävät tutkimusasteelle, mutta toisinaan niistä kehkeytyy laajempia hankkeitakin. 

HERTS (eli Heliopause Electrostatic Rapid Transit System) etenee nyt toiseen vaiheeseen sen jälkeen kun se valittiin kaikista alustavista hakemuksista jo viime vuoden kesäkuussa eteenpäin. Tässä vaiheessa hanke saa 500 000 dollaria ja sen voimin työtä tehdään noin kahden vuoden ajan.

Suomalaiset eivät voineet ehdottaa sähköistä aurinkopurjetta suoraan NASAlle, vaan virallisesti kyseessä on NASAn Marshallin avaruuslentokeskuksessa tutkijana olevan Bruce Wiegmannin työryhmän ehdotus. Mukana siinä ovat Janhusen lisäksi joukko yhdysvaltalaistutkijoita, joiden voimin hanke etenee nyt siis toiseen vaiheeseen.

Sähköpurjeen avulla planeettainvälisiä lentoja voitaisiin nopeuttaa huomattavasti ja se mahdollistaisi myös lennot Aurinkoa avaruudessa ympäröivään heliopaussiin vain noin 15 vuodessa – siis olennaisesti nopeammin kuin nykytekniikalla. Tekniikan hankaluutena on sen suuri koko (purje olisi kilometrejä halkaisijaltaan) ja se, että purje koostuu suuresta määrästä yksittäisiä, pitkä sähköjohtimia, joiden hallinta on hyvin haastavaa. Mutta nyt myönnetyn tutkimusrahoituksen turvin näitä haasteita voidaan ratkaista.

Suomen ensimmäinen satelliitti, Aalto-1, tutkii samaa periaatetta avaruudessa, mutta sen mukana on vain hyvin yksinkertainen versio purjeesta – vain yksi lanka – ja tarkoituksena onkin testata periaatteen toimintaa sekä sen mahdollista käyttämistä satelliitin ratanopeuden jarruttamiseen.

Nasa innostui sähköpurjeesta

Ti, 06/10/2014 - 14:26 Jari Mäkinen
Sähköpurje

Ilmatieteen laitoksen tutkijan Pekka Janhusen keksimä sähköpurje on askeleen lähempänä oikeaa käyttöä, kun NASA valitsi 5. kesäkuuta edelleen kehitettäväksi 12 uudenlaista avaruusluotainhanketta. Mukana on sähköpurjetta käyttävä, aurinkokunnan ulko-osia tutkiva luotainidea.

Nämä kuuluvat ns. NIAC-ohjelmaan (NASA Innovative Advanced Concepts), missä tarkoituksena on hahmotella uusia tekniikoita tulevaisuuden avaruushankkeissa käytettäviksi. Nyt valitut suunnitelmat eivät pääse kaikki taivaalle, vaan niille annetaan tässä vaiheessa 100 000 dollaria rahaa ja noin vuoden päivät aikaa jatkokehittelyä varten. Näistä valittaville hankkeille annetaan lisärahoitusta ja -aikaa, ja näistä lopulta valittavat pääsevät mahdollisesti lentoon.

Vaikka matkaa toteutukseen on vielä paljon, on kyseessä kuitenkin suuri askel eteenpäin suomalaiskehitteiselle sähköiselle aurinkotuulipurjeelle. Sen ideana on poikkeuttaa sähköisesti varattujen liekojen vaikutuspiiriin tulevia aurinkotuulen protoneja. Jokainen protoni antaa pienen impulssin ja kokonaisuutena saadaan aikaan jatkuva työntövoima.

Paitsi että purjeella saadaan ikään kuin ilmaista työntövoimaa Auringosta, pystytään tekniikalla ainakin periaatteessa saavuttamaan kolme (tai jopa neljä) kertaa suurempia nopeuksia kuin parhailla nykyisillä rakettimoottoreilla. Erityisen hyvin sähköpurje soveltuisi siis kevyisiin luotaimiin, joilla pitäisi lentää nopeasti ja kauas.

Nyt NASAn jatkoon valitsema, sähköpurjetta hyödyntävä HERTS -luotain on juuri tällainen: Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS) on Aurinkoa tähtienvälisessä avaruudessa ympäröivää aluetta tutkiva alus, joka voisi lentää aurinkokunnan ulko-osiin ja sen ulkopuolellekin jo aikavälillä 2025-2030. Lennon tärkein tehtävä olisi tutkia heliopaussia, eli aluetta, joka erottaa aurinkokunnan ja tähtienvälisen avaruuden toisistaan.

"NASAn Marshallin avaruuslentokeskuksen tutkijat olivat tutustuneet sähköpurjekonseptiin julkaisujemme perusteella, ja olivat olleet alkuun terveen skeptisiä, mutta nyt uskovat siihen ja haluavat saada sen lentämään", kertoo Pekka Janhunen, joka on mukana hankkeessa ulkoisena neuvonantajana.

"Aika näyttää, miten HERTS etenee, mutta ainakin tässä vaiheessa innostus siellä Tennessee-joen varrella kova!"

ESTCube-1 ja Aalto-1 testaavat periaatetta

Parhaillaan avaruudessa oleva virolainen ESTCube-1 -satelliitti tulee testaamaan sähköpurjeen periaatetta ensimmäisenä avaruudessa, ja myös ensimmäinen kokonaan suomalainen satelliitti Aalto-1 tulee tutkimaan sen periaatteen toimivuutta.

Aalto-yliopiston opiskelijaprojektina toteutetulle Aalto-1:lle etsitään parhaillaan sopivaa (ja edullista) laukaisua, mutta ESTCube on kiertänyt Maata jo yli vuoden päivät. Satelliitti ei ole vielä vapauttanut sähköpurjeen ideaa testaavaa liekaa, koska sen asennonsäätöjärjestelmä ei ole toiminut aivan odotetulla tavalla. Vaikka koe periaatteessa olisi voitu jo toteuttaa, halutaan satelliitin pyörimisen tasaisuutta vielä parantaa ennen liekakokeen aloittamista, jotta kokeen onnistumistodennäköisyys olisi mahdollisimman suuri.

Siinä missä lopullinen sähköpurje koostuisi mahdollisesti jopa 30 kilometriä pitkistä, avaruusaluksesta ulospäin sojottavista sähköjohdoista, on näissä kahdessa nanosatelliitissa mukana vain yksi johdin, lieka, jonka käyttäytymistä mitataan. Lähellä Maata lentävissä satelliiteissa lieat eivät pääse aurinkotuuleen, koska ne ovat vielä Maan magneettikentän suojassa. Sähköisesti varattuja liekoja käytetään sen sijaan plasmajarruina, jotka vähitellen laskevat satelliittien rataa.

Niinpä periaatetta voidaan käyttää kauas nopeasti lentämisen lisäksi matalan radan satelliiteissa jarruna: ne voitaisiin aktivoida satelliitin käytön päätyttyä, jolloin lieka toisi satelliitin automaattisesti alemmaksi ja lopulta tuhoutumaan Maan ilmakehässä. Näin laitteisto voisi auttaa avaruusromun määrän vähentämisessä.

Virosta tulee pian avaruusmaa

Pe, 05/03/2013 - 10:56 Jari Mäkinen
VEGA valmiina

Viron ensimmäinen satelliitti yrittää uudelleen avaruuteen tiistaina aamulla. ESTCube-1:n oli määrä ratsastaa avaruuteen Vega-kantoraketilla lauantaiaamuna Suomen aikaa, mutta sääolojen vuoksi laukaisua lykättiin. Suunniteltu lähtöaika on klo 5:06 Suomen aikaa tiistaina 7. toukokuuta.

Kyseessä on uuden eurooppalaisen kantoraketin toinen koelento, joten siihen suhtaudutaan vielä erityisellä varovaisuudella. Vegan ensimmäinen lento helmikuussa 2012 sujui ongelmitta, joten toiveet toisenkin lennon sujumisesta suunnitelman mukaan ovat korkealla. Laukaisulle annettiin torstaina vihreää valoa, kun viimeisissä tarkastuksissa niin kantoraketti, maajärjestelmät kuin mukana olevat satelliititkin havaittiin valmiiksi.

Vegan kyydissä avaruuteen lentää kolme satelliittia. Suurin on Proba-V, ESA:n kasvillisuutta tutkiva satelliitti, joka jatkaa ESAn pienten, kokeellisten, uusia tekniikoista testaavien Proba-satelliittien sarjaa. Se irtoaa omille teilleen raketista ensimmäisenä; niinpä belgialaista tekoa oleva Proba-V matkustaa raketissa aivan sen nokkakartion kärjessä.

Seuraavana avaruuteen vapautetaan VNREDSat-1, Astrium-yhtiön Vietnamin teknologia- ja tiedeakatemialle rakentama tutkimussatelliitti.

Viimeisenä vuorossa on ESTCube-1, joka suunnitelman mukaan singotaan raketin sisältä kuljetuslaatikostaan pienen jousen ponnauttamana ulos avaruuteen kahden tunnin ja 48 sekunnin kuluttua laukaisusta.

ESTCube-1 on hyvin pieni satellitti, vain noin 10 cm kanttiinsa oleva kuutio, mutta se on "oikea" satelliitti ja sitä tullaan ohjaamaan Tarton luona Tõraveren observatoriolle rakennetusta lennonjohdosta. Hanke on kotoisin myös Tartosta: sen ideoija on Mart Noorma Tarton observatoriosta. Projektipäällikkö Silver Lätt on kuitenkin Tallinnan yliopistosta ja mukana on suuri joukko innostuneita opiskelijoita Tartosta ja Tallinnasta, niin yliopistosta, Viron ilmailuakatemiasta kuin maatalaouskorkeakoulustakin.

Virolaissatelliitin pääasiallinen tutkimuslaite on kuitenkin Suomesta. ESTCube-1 testaa ensimmäisenä avaruudessa ns. sähköisen aurinkopurjeen periaatetta vapauttamalla avaruuteen pieneltä kelalta 10 m pitkän, 20-50 mikrometriä paksun vaijerin, joka varataan 500 V jännitteellä.

Jos vaijeri toimii suunnitellusti, maapallon ympärillä oleva plasma vaikuttaa vaijeriin ja edelleen satelliitin pyörimisnopeuteen. Sähköpurjeen toimintaa tutkitaan juuri pyörimisnopeutta mittaamalla, mutta vaijerin avautumista sekä käyttäytymistä avaruudessa kuvataan myös satelliitissa olevalla kameralla.

Sen jälkeen kun vaijerin sähköpurjehdusominaisuudet on tutkittu, koetetaan sen soveltuvuutta plasmajarruksi: pitkän vaijerin avulla satelliitin ratanopeutta voidaan pienentää ja siten vastaavalla systeemillä voitaisiin tulevaisuudessa ohjata käyttöikänsä lopussa olevat satelliitit kätevästi putoamaan alaspäin radallaan ja lopulta tuhoutumaan Maan ilmakehässä.

Sähköpurjetta testataan seuraavaksi ensimmäisessä suomalaissatelliitissa Aalto-1:ssä, jolla on myös tiivit yhteys Viroon, sillä hankettä Aalto-yliopistossa vetää Jaan Praks. Sähköpurjetekniikkaa on tutkittu myös Euroopan avaruustekniikkakeskuksessa ESTECissä, missä Urmas Kvell - myös virolainen - oli työssä sen parissa vuonna 2010.

Virolaisdelegaatio Kouroussa

Paikalla Kouroussa, Vegan laukaisupaikalla Euroopan avaruuslaukaisukeskuksessa Ranskan Guyanassa on koko joukko satelliitin tekijöitä sekä Enn Ergma, Viron parlamentin Riigikogun puhemies, joka on tukenut voimakkaasti ESTCube-1:n tekemistä. Koulutukseltaan Ergma on astrofyysikko ja ennen poliittista uraansa hän työskenteli mm. professorina Tarton yliopistossa.

Lue lisää ESTCube-1:stä T-Tuubin aikaisemmasta artikkelista: Viron ensimmäinen satelliitti lähtövalmis.

Kuvat: ESTCube-1