Avaruusaluksen ja satelliitin radan muuttaminen ilman ajoainetta: sähköpurje ja plasmajarru Pekka Janhunen, Ilmatieteen laitos, Helsinki Ilmailuinsinöörien kerho, Kampusareena, TTY, 27.11.2018 11/26/18 1
Propulsio avaruudessa Raketti perustuu rekyyliin: jotain suihkutetaan taaksepäin, jotta raketti kiihtyy eteenpäin. Päärakettityypit: kemiallinen raketti ja sähköraketti. Raketin ongelma on että se joutuu uhraamaan omaa massaansa. Tällöin lähtöpaino kasvaa eksponentiaalisesti tehtävän vaatiman delta-v:n funktiona. Avaruus ei ole täysin tyhjä: siellä voi purjehtia: Valopurje: käyttövoimana auringonvalo (suuri ohut lakana) Sähköpurje: käyttövoimana aurinkotuuli (pitkiä varattuja liekoja) Purje ei tarvitse ajoainetta, joten sen tuottama delta-v on periaatteessa rajaton. 11/26/18 2
Raketti ja suihkukone Avaruudessa ei ole ilmanvastusta: matkanopeus tarvitsee vain saavuttaa, sitä ei tarvitse jatkuvasti ylläpitää. Toisaalta koska ilmaa ei ole, sitä ei voi käyttää työkaasuna. Esim. potkuri tai ohivirtausmoottori ei toimi. Hapetin on kannettava mukana, ja se painaa yleensä enemmän kuin polttoaine. Hapettimet ovat (aina?) tavalla tai toisella vaarallisia kemikaaleja. Sähköraketissa ei tarvita hapetinta eikä polttoainetta, vaan ajoainetta, joka ionisoidaan ja kiihdytetään sähköisesti. Sähkötehoa tarvitaan paljon, työntövoima heikko mutta pitkäaikainen. 11/26/18 3
Coulombin kitka työntövoiman lähteenä Tapa hyödyntää jotain avaruuden plasmavirtausta Ohut varattu lieka toimii ikäänkuin jarruvarjona Yksi tai useampia liekoja (cubesateille yksi) Kaksi sovellusaluetta: Aurinkotuuli sähköpurje, matkat esim. planeetoille Matala rata plasmajarru, satelliitin tuominen alas Vähintään kertaluokkaa tehokkaampi kuin olemassaolevat menetelmät (tehokkuus = laitteen elinaikanaan tuottama impulssi jaettuna laitteen alkumassalla) 11/26/18 4
Sähköpurjeen hiukkassimulaatio Keskimääräisen aurinkotuulen parametrit Maan etäisyydellä Tyypillinen työntövoima per liekapituus: 0.5 mn/km (20 kv liekajännite) Tyypillinen liean paino: 10 grammaa per kilometri Pelkkä lieka: a=f/m = 50 mm/s² = 130 km/s/kk Koko sähköpurjelaite: a=f/m ~ 5 mm/s² = 13 km/s/kk 11/26/18 5
Laboratoriokokeita Mitattu liean vaikutusalueen leveys kahdella eri jännitteellä 100 V ja 400 V (Siguier et al., 2013 * ). Plasmaympäristö samanlainen kuin matalalla kiertoradalla. Tulos sopusoinnussa simulaatioiden kanssa. Uusi koe 2017 NASA MSFC:ssä: tekijällä ~2 isompi työntövoima. Tulosta ei vielä julkaistu. 100 V 400 V (*)Siguier, J.-M., P. Sarrailh, J.-F. Roussel, V. Inguimbert, G. Murat and J. SanMartin, Drifting plasma collection by a positive biased tether wire in LEO-like plasma conditions: current measurement and plasma diagnostics, IEEE Trans. Plasma Sci., 41, 3380-3386, 2013 11/26/18 6
Plasmajarrun hiukkassimulaatio Matalan kiertoradan parametrit, -0.34 kv jännite lieassa Elektronit vasemmalla, ionit oikealla 11/26/18 7
Plasmajarrumoduuli Sopii 800 kg/850 km tai 200 kg/1200 km satelliitin tiputtamiseen. 11/26/18 8
Sähköpurje Yksiliekainen versio pienaluksille, moniliekainen isommille. Työntövoiman suuruus säädettävissä nollasta maksimiin, suunta säädettävissä noin ±30 asteen kartiossa. Luoviminen kohti aurinkoa onnistuu myös, aikaa kuluu suunnilleen lähtöplaneetan kiertoajan verran. Kiihdytys ulospäin voi tapahtua nopeamminkin, jos alus kevyt. 11/26/18 9
Sähköpurjeen esimerkkisovelluksia Joukko yksiliekaisia 5 kg aluksia tekee suuren määrän asteroidien ohilentoja. Datat siirretään viimeisellä Maan ohilennolla. Avaruussään ennustaminen 2 tuntia eteenpäin (nyt 1 tunti) Luotain pysyttelee Aurinko-Maa Lagrange-L1 -pisteen Auringon puolella työntämällä jatkuvasti Auringon painovoimaa vastaan. Jonkin ulkoaurinkokunnan kohteen ohilento (esimerkiksi Saturnuksen vettä suihkuttava Enceladus-kuu) Asteroidien kaivostoiminnan logistiikkapalvelu 11/26/18 10
Asteroidien kaivostoiminta? Avaruustoiminta on kallista, koska laukaiseminen Maasta tarvitsee ison raketin, joka on täynnä vaarallisia kemikaaleja. Hyötykuorma on vain muutama prosentti raketin lähtöpainosta. Sähköraketti tai sähköpurje ei käy, koska delta-v pitää tuottaa nopeasti jotta painovoima ei ehdi vetää alusta takaisin ennenkuin ratanopeus on saavutettu. Mutta jos hyötykuormaa tuottaa asteroidilla, delta-v:n voi tuottaa hitaasti, jolloin sähköraketti tai sähköpurje käy. 11/26/18 11
Asteroidien kaivannaisia Kivi Kivi koostuu piistä, hapesta ja metalleista. Alkuaineiden erottaminen kivestä vaatii paljon energiaa, mutta voitaisiin tuottaa kevytrakenteisella aurinkouunilla. Vesi Vedestä saa vetyä ja happea, jotka ovat rakettipolttoainetta. Vesi on myös hyvä säteilysuoja. Metallit Jotkut asteroidit ovat suoraan rautaa ja nikkeliä. (Ihminen takoi meteoriittimetallista miekkoja ja keihäänkärkiä jo antiikin aikana.) 11/26/18 12
Tekniikan nykytilanne Lieka ja sen avaaminen on sähköpurjeen ja plasmajarrun oikeastaan ainoa hankalampi kohta. Sähköpurjelieka ja plasmajarrulieka ovat samanlaisia, joskin materiaalissa ja leveydessä voi olla eroa. Tiedetään että liean valmistus ultraäänibondauksella on mahdollista. Pisin valmistettu lieka 1 km, pisin lentävä lieka 100 m (Aalto-1). Tällä hetkellä tutkimme muita valmistustapoja, jotka skaalautuisivat paremmin teolliseen tuotantoon. Tällä hetkellä rakennetaan 300 m liekalaitteita ESTCube-2 ja Foresail-1 -cubesatteihin. 11/26/18 13
Aalto-1 -satelliitti (2017) Laukaistiin kesäkuussa 2017, 3 hyötykuormaa: hyperspektrikamera (VTT), säteilymonitori (Turun yliopisto), 100 m lieka (Ilmatieteen laitos). Alkuperäiset tavoitteet: Mitata Coulombin kitka liean positiivisella ja negatiivisella jännitteellä Näyttää että satelliitin rata alenee kun plasmajarrua käyttää Koetta ei ole vielä aloitettu, odotamme että satelliitin asennonsäätöjärjestelmän ohjelmisto saataisiin kuntoon. 11/26/18 14
Yhteenveto Plasmajarrulla voi tuoda alas satelliitteja Jotta satelliitti ei jäisi kiertorataromuksi Sähköpurjeella voi purjehtia aurinkokunnassa Ei kuitenkaan Maan magnetosfäärin sisällä, koska siellä ei ole aurinkotuulta. Esimerkiksi geostationaarinen satelliitti ei voi käyttää sähköpurjetta. Sähköpurjeen olisi paljon sovelluksia 11/26/18 15