Sähköpurje ja plasmajarru

Sähköpurje eli sähköinen aurinkotuulipurje on Suomessa vuonna 2006 tehty keksintö, joka käyttää aurinkotuulta avaruusluotainten työntövoimana. Maata kiertävissä satelliiteissa samaa tekniikkaa voi soveltaa plasmajarruna, joka pudottaa tekokuut ilmakehään niiden käyttöiän päätyttyä.

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.

Positiivisesti varatut lieat hylkivät aurinkotuulen positiivisesti varautuneita hiukkasia, protoneita ja muita ioneja. Näin lieat muodostavat aurinkotuulelle paljon paksumman virtausesteen kuin mitä langan fyysinen paksuus on.  Jos lieka pidetään esimerkiksi 20 kilovoltin positiivisessa potentiaalissa, sen sähkökenttä ulottuu noin 100 metriä ympäröivään aurinkotuuliplasmaan. Yksi tällainen 20 km:n mittainen lieka antaisi siis 4 km2 tehollista purjepinta-alaa. Täysikokoisessa sähköpurjeessa näitä liekoja voisi olla 50–100 kappaletta.

Sähköpurje on kevyt ja periaatteessa yksinkertainen työntövoimalähde pienille avaruusaluksille. Suurin siihen liittyvä tekninen haaste on liean valmistaminen. Yksinkertaista lankaa ei voi käyttää, koska sillä olisi liian suuri todennäköisyys tulla mikrometeoroidin katkaisemaksi lennon aikana. Ongelma voidaan ratkaista käyttämällä liekana useammasta säikeestä koottua nauhaa. Säikeiden on oltava hyvin ohuita jotta alus olisi riittävän kevyt, mutta ohuiden lankojen liittäminen toisiinsa on vaativaa työtä. Menetelmiä liean massatuotantoon kehitetään Helsingin yliopistossa.

Aurinkotuuli kiihdyttää sähköpurjealusta.

Sähköpurjetta ei pidä sekoittaa aurinkopurjeeseen, joka saa työntövoimansa Auringon säteilypaineesta (valosta), ei aurinkotuulesta. Aurinkopurje on vanhempi keksintö, mutta sitä ei ole onnistuttu ottamaan tuotantokäyttöön, koska aurinkopurjeen vaatiman suuren ja ohuen kalvon kuljettaminen avaruuteen ja avaaminen siellä on teknisesti erittäin vaikeaa. (Pieni koepurje Ikaros laukaistiin onnistuneesti 2010). Aurinkotuulen virtauspaine on paljon pienempi kuin Auringon säteilypaine, joten valoa heijastava purje ei tarvitsisi yhtä suurta pinta-alaa. Sähköpurjeen etu kuitenkin on, että se ei tarvitse kaksiulotteista kalvoa lainkaan, koska pinta-ala luodaan sähkökentällä. Valo ei tunne sähkökenttää, joten purjepinta-alaa voi luoda sähköisesti vain aurinkotuulelle.

Viron ensimmäisessä satelliitissa hyötykuormana sähköpurjeen koelieka

Tarton yliopisto ja Tallinnan teknillinen yliopisto valmistelevat opiskelijoiden harjoitusprojektina Viron ensimmäistä omaa tekokuuta. Tämä EstCube-1 on niin kutsutun Cubesat-standardin mukainen pienoissatelliitti. Sen päähyötykuormana on 10 metrin pituinen sähköpurjelieka sekä sen varaamiseen tarvittava elektronitykki. Lennon päätavoitteena on testata liean avaamista kelalta sekä mitata siihen kohdistuva voima, kun lieka on varattu. Lisäksi mukana on kamera, jolla voidaan kuvata liean käyttäytymistä avaruudessa sekä tietysti myös Maata.  EstCube-1 laukaistaan suunnitelmien mukaan 2012.

Plasmajarru

Sähköpurjetta ei voi käyttää avaruusalusten vauhdittamiseen Maan magneettikehän sisäpuolella, koska aurinkotuuli ei sinne pääse. Luotaimet on siis ensin vietävä magneettikehän ulkopuolelle perinteisin raketein. Magneettikehän sisäpuolella samaa tekniikkaa voi kuitenkin käyttää satelliittien ratanopeuden hidastamiseen. Plasmajarruksi riittää yksikin lieka, jonka Maan painovoima pitää suorana. Lieka toimii eräänlaisena ”jarruvarjona” kyntäessään satelliitin mukana Maata ympäröivää harvaa plasmaa. Plasmajarrun avulla loppuun käytetyt tekokuut saadaan laskeutumaan alemmille radoille ja lopulta putoamaan ilmakehään, jossa ne tuhoutuvat. Näin voitaisiin vähentää avaruusromuongelmaa, jonka suosituimmille kiertoradoille kertyvät hylätyt satelliitit muodostavat.

Plasmajarru Suomen ensimmäiseen omaan tekokuuhun

Ilmatieteen laitos osallistuu myös ensimmäisen suomalaisen tekokuun, Aalto-yliopiston Aalto-1-opiskelijasatelliitin suunnitteluun. Siihen asennetaan plasmajarru, jonka avulla testataan satelliitin tuomista ilmakehään sen tehtävän päätyttyä.
 

Sähköpurjeluotaimen malli

Sähköpurjeluotaimen malli Ilmatieteen laitoksella vierellään tekniikan kehittäjä, Pekka Janhunen. Kuva: Antonin Halas
 

Lisätietoa

Tutustu sähköpurjeen tekniikkaan, teoriaan ja käyttömahdollisuuksiin tarkemmin hankkeen omilla sivuilla:

Sähköpurje