Sähköpurjeen kehittely jatkuu täydellä teholla
Sähköpurjetta voi ohjata fotonimelalla
Sähköpurje koostuu pitkistä, ohuista metallilangoista eli lieoista, jotka kelataan avaruudessa ulos aluksen reunaan kiinnitetyiltä rullilta. Alus pidetään pyörivässä liikkeessä, jolloin keskipakoisvoima oikaisee lieat säteittäiseen muodostelmaan aluksen ympärille. Lisäksi järjestelmään kuuluu elektronitykki, joka poistaa aluksesta elektroneja ja pitää näin aluksen sekä lieat positiivisesti varattuina. Käyttövoimansa elektronitykki saa aurinkopaneeleista.
Tutkijat ovat pohtineet sitä, miten liekojen törmääminen toisiinsa voidaan estää. Perusmenetelmä on sitoa liekojen kärjet toisiinsa apulieoilla. Vaihtoehtoisessa menetelmässä kutakin liekaa "lennetään" aktiivisesti siten, että se ei törmää muihin liekoihin. Itse sähköpurjevoimaa moduloimalla voidaan toteuttaa osa tästä ohjauksesta, mutta liean täydelliseen ohjaamiseen tarvitaan toinen, sähköpurjevoimasta riippumaton ohjausparametri. "Yksi mahdollisuus on sijoittaa liean kärkeen kapea kolmiomainen "mela", joka toimii pienenä valo- eli fotonipurjeena. Aurinkomelan työntövoima on heikko suhteessa liekaan vaikuttavaan sähköpurjevoimaan, mutta voiman suunta mahdollistaa liean pyörimisnopeuden säätämisen ja sitä kautta liekatörmäysten välttämisen. Melaa voidaan käännellä sen painopistettä muuttamalla", kertoo sähköpurjeen keksijä Pekka Janhunen.
Samantapaista fotonimelaa voidaan käyttää myös tavallisena aurinkopurjeena tekemällä siitä suurempi ja jättämällä sähköpurjelieka pois. Tarkemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että näin saatava valopurje voidaan pakata avaruusalukseen kompaktimmin kuin perinteinen pyörivä ns. heliogyropurje.
Matalalla kiertoradalla melaan kohdistuva ilmanvastus voittaa säteilypaineen. Jos tehtävänä on avaruusromun synnyn torjumisen pudottamalla vanha satelliitti ilmakehään, vapaasti lentävää melaa voidaan silloin käyttää ohjaamaan moniliekaista plasmajarrua. Ohjauksen periaate on hyvin samantapainen kuin aurinkotuulta käyttävän planeettojenvälisen sähköpurjeen tapauksessa.
Tehopihi elektronitykki mahdollistaa halvan piensatelliitin käyttämisen sähköpurjeen testaamiseen
Sähköpurjeen yksi komponentti on elektronitykki, jonka tehtävänä on poistaa systeemistä negatiivisesti varattuja elektroneja, jotta sähköpurjelieka saadaan nostettua korkeaan positiiviseen jännitteeseen suhteessa ympäröivään plasmaan. Hehkukatodiin perustuva elektronitykki on tunnettu ja laajalle levinnyt laite ja sellainen oli mm. kaikissa kuvaputkitelevisioissa.
ESTCube-1:n ja Aalto-1:n kokoisissa piensatelliiteissa ei kuitenkaan ole yleensä saatavilla hehkukatodin tarvitsemaa hehkutustehoa ainakaan jatkuvasti, koska satelliitin aurinkopaneelit ovat pienet. Tällöin tarvitaan innovatiivisempi elektronitykkiratkaisu. Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriossa on kehitetty ns. kylmäkatoditykki, jossa elektronit emittoituvat suoraan sähkökentän vetäminä nanorakenteisen hiilen pinnassa olevista yhden atomikerroksen paksuisista grafeeniharjanteista. Harjanteet ovat niin kapeita, että sähkökenttä vahvistuu niiden kohdalla riittävästi jotta elektronien suora kenttäemissio voi tapahtua. Tähän periaatteeseen perustuvat elektronitykit lentävät ESTCube-1 ja Aalto1 -satelliiteissa. Tarvittavan nanografiitin toimitti professori Alexander Obraztsovin ryhmä Itä-Suomen yliopistosta ja Moskovan valtionyliopistosta.
Näytteenpalautuslento asteroidilta 1998 KY-26 sähköpurjeella
Sähköpurjeen hidas mutta periaatteessa loputon kyky muuttaa aluksen liiketilaa on erityisen hyödyllinen vierailtaessa asteroideilla. Asteroidi 1998 KY-26 on mielenkiintoinen esimerkki pienestä läpimitaltaan vain 30 metrin kokoisesta asteroidista, jonka rata tuo sen aika ajoin lähelle Maata. Maan lähelle tulevat asteroidit aiheuttavat potentiaalisen törmäysuhan, joten niiden radan modifiointi voi tulla tulevaisuudessa ajankohtaiseksi. Spektrihavaintojen mukaan asteroidi KY-26 saattaa sisältää vesijäätä. Tämän vuoksi se on mielenkiintoinen myös asteroidien kaivostoiminnan näkökulmasta, koska vesi on avaruudessa arvokas rakettipolttoaineen raaka-aine. Erikoista asteroidissa on myös se, että sen pyörimisestä aiheutuva keskipakoisvoima voittaa asteroidin painovoiman, eli asteroidin pinnalla ei voi olla mitään irtonaista materiaalia, koska sellainen sinkoutuisi pois. Näistä syistä johtuen asteroidi KY-26 on yksi sellainen kohde, jolta olisi perusteltua noutaa näytteitä Maahan.
Tutkimuksessa laskettiin KY-26 -näytteenhakumission matka-ajan sekä matka-ajan riippuvuuden lähtöpäivästä olettaen että propulsiolaitteena toimii sähköpurje. Tulosten mukaan matka-aika on melko tarkasti kääntäen verrannollinen käytetyn sähköpurjeen työntövoimaan (kokoon), jos aluksen ominaiskiihtyvyys on vähintään 0.3 mm/s^2. Jos ominaiskiihtyvyys on esimerkiksi 0.5 mm/s^2, edestakainen matka-aika on optimaalisella lähtöpäivän valinnalla on alle 300 päivää. Jos sähköpurjeen työntövoima on 1 N jolloin sen massa on alle 200 kg, ominaiskiihtyvyys 0.5 mm/s^2 vastaa kahden tonnin aluksen kokonaismassaa.
Lisätietoja:
Tutkimuspäällikkö Pekka Janhunen, puh. 029 539 4635
http://www.electric-sailing.fi
Viitteet:Janhunen, P., Electric sail, photonic sail and deorbiting applications of the freely guided photonic blade, Acta Astronaut., 93, 410-417, 2014.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0094576513002956
Viite: Kleshch, V.I., E.A. Smolnikova, A.S. Orekhov, T. Kalvas, O. Tarvainen, J. Kauppinen, A. Nuottajärvi, H. Koivisto, P. Janhunen and A.N. Obraztsov, Nano-graphite cold cathodes for electric solar wind sail, Carbon, 132-136, 2015.http://authors.elsevier.com/sd/article/S0008622314008902
Viite: Quarta, A.A., G. Mengali and P. Janhunen, Electric sail for near-Earth asteroid sample return mission: case 1998 KY26, J. Aerospace Eng., 27, 6, 04014031-1--04014031-9, 2014.http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000285