EU-projekti vie suomalaista sähköpurjetta kohti avaruutta

Helsingin Kumpulassa käynnistettiin joulukuun alussa sähköisen aurinkotuulipurjeen EU-projekti. Ilmatieteen laitoksen johtaman projektin aloituskokoukseen 8.-9. joulukuuta otti osaa kansainvälisesti koottu tutkija- ja insinööritiimi.

"Kokouksessa saavutettiin merkittävää teknistä edistystä", kertoo sähköpurjeen idean vuonna 2006 keksinyt Pekka Janhunen Ilmatieteen laitokselta. "Tuli paljon uusia ideoita ja kuva projektin alkuvaiheesta selkeni."

Lähes kahden miljoonan euron rahoituksen turvin projekti pyörii kolmen vuoden ajan eurooppalaisena yhteistyönä.

"Pääsemme puolimatkaan kohti testauslentoa, joka on tavoitteenamme sen jälkeen", hahmottelee Janhunen. "Projektin lopputuotteina tulee olemaan komponentteja ja niiden suunnitelmia. Niitä voidaan kvalifioinnin jälkeen lennättää avaruudessa."

Aurinkotuulen puhaltamana matkaan

Sähköisen aurinkotuulipurjeen ideana on poikkeuttaa varattujen liekojen vaikutuspiiriin tulevia aurinkotuulen protoneja. Jokainen protoni antaa liealle pienen impulssin ja kokonaisuutena saadaan aikaan jatkuva työntövoima.

Sähköpurjeen liekojen varaamiseen tarvittava teho voidaan tuottaa aurinkopaneeleilla eikä käytössä kuluvaa polttoainetta tarvita. Vaikka työntövoima onkin erittäin pieni, on teknologian etuna jatkuva kiihdytys, joka voi kestää vuosien ajan.

"Projektin hakuvaiheessa asetimme tavoitteet sähköpurjeen perusmallille", Janhunen kertoo."Suorituskyvyn puolesta tähtäämme yhden Newtonin työntövoimaan Maan etäisyydellä Auringosta. Tämä on tavoitteena saavuttaa 100 kilogramman kokonaismassalla. Komponentit pyritään tekemään niin, että ne voidaan skaalata eri kokoiseen missioon."

Sähköpurjeen tuottama työntövoima riippuu sen käyttämien liekojen pituuksista. Aluksen kokonaismassa pyritään pitämään mahdollisimman pienenä, jotta kiihtyvyys voidaan maksimoida.

Kymmenien kilometrien kokoinen purje

"Perusmallissa puhumme noin 20 kilometrin mittaisista lieoista", Janhunen kuvailee. "Niiden pituuden, lukumäärän ja jännitteen välillä voidaan tehdä kompromisseja. Suuremmalla jännitteellä pienemmästäkin liekamäärästä voidaan puristaa enemmän irti."

Aivan projektin alkuvaiheessa tehdään tärkeitä päätöksiä siitä, millainen sähköpurjeen ensimmäisestä toiminnallisesta avaruusmissiosta suunnitellaan. Purjeen muodostavista lieoista on mahdollista hahmotella erilaisia geometrioita.

"Keskustelimme lopullisen sähköpurjeen muodoista ja miten lieat kytketään toisiinsa", Janhunen valottaa. Varatut päälieat yhdistetään toisiinsa sähköä johtamattomilla apulieoilla, jotka auttavat purjeen pitämisessä halutussa muodossa avaruudessa.

"Sähköpurjeen ohjaaminen on keskeinen osa suunnittelua", Janhunen huomauttaa. "Säädämme potentiaaleja synkronisesti pyörimisen kanssa, vähän samaan tapaan kuin helikopterissa säädetään roottorin lapakulmaa sen suunnan mukaan."

Haastavinta alkuvaiheen suunnittelussa on Janhusen mukaan se, miten erilaisiin vikoihin voidaan varautua. Esimerkiksi meteoroidin isku, joka katkaisisi ohuen liean avaruudessa, on eräs suurimmista riskeistä. Tätä varten voidaan liekojen kärkiin sijoittaa etäyksikköjä, jotka tarvittaessa irrottavat katkenneen liean.

"Tavoitteena on vikasietoisuus siinäkin tapauksessa, että yksi päälieoista katkeaisi", Janhunen kertoo. "Toisaalta laskelmien mukaan todennäköisyys pääliean katkeamiseen on hyvin pieni. Perusmallissamme riski on viiden ensimmäisen vuoden aikana vain noin prosentin verran."

CubeSatit raivaavat tietä

Ennen täysimittaisen purjeen toteuttamista varattujen liekojen ideaa testataan pienemmässä mittakaavassa. Ensimmäisenä ovat luvassa liekojen lennätykset matalalla Maata kiertävällä radalla ESTCube-1 ja Aalto-1 -satelliittien mukana, jotka on alustavasti suunniteltu laukaistaviksi 2012 ja 2013.

Nanosatelliitit eivät pääse aurinkotuuleen, koska ne ovat vielä Maan magneettikentän suojassa. Varattuja liekoja käytetään sen sijaan plasmajarruina, jotka vähitellen laskevat satellittien rataa.

Vastaavat järjestelmät matalan radan satelliiteissa vakiovarusteina voisivat auttaa avaruusromun määrän vähentämisessä. Käyttökokemukset ohjaavat osaltaan sähköpurjehankkeen suunnittelua.

"Sähköpurje on yksi EU:n ykköshankkeista ja edustaa eurooppalaisen avaruusteknologian keihäänkärkeä", arvioi Janhunen alkaneen projektin merkittävyyttä kokonaisuutena. "Uskallan sanoa tämän siksi, että se sai evaluoinnissa luokkansa parhaat pisteet. Alussa se oli yhden tiimin villi, ei-konventuaalinen idea. Nyt se on saavuttanut kansainvälisen uskottavuuden ja etenee kohti toteutustaan."

Lisätietoa:

Tutkimuspäällikkö Pekka Janhunen, Ilmatieteen laitos
Puh. (09) 1929 4635
Sähköposti: pekka.janhunen@fmi.fi