Uudella menetelmällä kudottu avaruuslieka valjastaa avaruusplasman virtauksen aluksen työntövoimaksi

Uudenlaisen menetelmän mukaan avaruuslieka pitää valmistaa hiuksenohuista metallilangoista sähköisen johtavuuden ja tehonkulutuksen takia. Lieka vaatii 3–4 lankaa, jotta se kestää avaruusympäristön mikrometeoroideja ja avaruusromun rippeitä. Yhden langan katkeaminen mikrometeoroidin osumasta ei katkaise koko liekaa, jolloin sen elinaika kasvaa huomattavasti. 

Ohuiden muutaman kymmenen mikrometrin paksuisten lankojen liittäminen toisiinsa mikrometeoriitteja kestäväksi rakenteeksi on ollut haasteellista. Ilmatieteen laitoksella kehitetty menetelmä ja kutomakone (Uggman I) perustuu katiskaverkkojen kudontamenetelmään, jossa verkon vierekkäiset langat liitetään toisiinsa kieputtamalla.  

Avaruusliean tuottamaa työntövoimaa voidaan hyödyntää Maan kiertoradalla ja planeettojen välisessä avaruudessa aurinkotuulessa. Avaruuslieka on keskeinen osa sekä plasmajarrua että sähköpurjetta. Plasmajarrulla voidaan laskea satelliittien ratanopeutta ja hillitä avaruusromun määrää. Sähköpurjeella voidaan siirtää tieteellisiä ja kaupallisia hyötykuormia taivaankappaleilta toisille.  

Maan kiertoradalla satelliitit lentävät plasman läpi aiheuttaen plasmanvastuksen liekaan  

Avaruudessa avaruusalukset lentävät sähköisesti varatun avaruusplasman läpi. Jos alus varustetaan korkeaan sähköiseen jännitteeseen varatulla avaruusliealla, sen suhteen virtaava plasma aiheuttaa liekaan liikevastuksen ja siten alukseen työntövoiman, kuten Ilmatieteen laitoksen tutkimusprofessori Pekka Janhunen on ehdottanut. Plasmanvastus avaruudessa vastaa ilmanvastusta ilmakehässä. 

Maan kiertoradalla satelliitit lentävät lähes paikallaan olevan plasman läpi ratanopeudellaan, joka on noin 7.5 km/s. Tästä syntyvä suhteellinen virtaus aiheuttaa avaruusliekaan plasmanvastuksen, joka jarruttaa satelliitin ratanopeutta. Tähän ilmiöön perustuvalla plasmajarrulla voidaan laskea satelliittien ratanopeutta, kunnes ne palaavat ilmakehään. Ilmatieteen laitos valmistelee plasmajarrun tieteellistä ja kaupallista toteutusta yhteistyössä Espoolaisen Aurora Propulsion Technologies -yrityksen ja Euroopan Avaruusjärjestön kanssa. 

Planeettojen välisessä avaruudessa aurinkotuulen nopeus on tyypillisesti 440 km/s. Puuskahuipuissa virtausnopeus voi olla yli 1000 km/s. Sähköpurje avaruusliekoineen valjastaa aurinkotuulen, ja sillä voidaan purjehtia joutuisasti taivaankappaleilta toisille ilman ajoainetta. 

Uuteen satelliittiin asennetaan 60 metrin pituinen lieka 

Yksi merkittävä askel kohti plasmajarruja ja sähköpurjeita on plasmanvastuksen mittaaminen ja vertaaminen teoreettisiin plasmafysiikan ennusteisiin. Se on ollut ensimmäinen sovellus avaruusliealle. Uusin plasmajarru on parhaillaan valmisteilla Ilmatieteen laitoksella asennetavaksi Aalto yliopiston rakentamaan FS-1p satelliittiin.  

Sekä plasmajarru että itse satelliitti ovat kehitetty Suomen Akatemian huippuyksikön FORESAIL (Finnish Center of Excellence in Research of Sustainable space) projektissa. Satelliittiin tulee yksi 60 metriä pitkä lieka. Liean massa on pituudestaan huolimatta vain 4 grammaa. Mittalaite puolestaan on tilavuudeltaan vajaan litran kuutio ja painoltaan lähes 600 grammaa.

Lisätietoja: 

Tutkija Petri Toivanen, Ilmatieteen laitos, petri.toivanen@fmi.fi, p. 050 380 3417 

Tutkimusprofessori Pekka Janhunen, Ilmatieteen laitos, pekka.janhunen@fmi.fi, p. 050 323 0319 

Artikkeli vapaasti luettavissa: Aerospace | Free Full-Text | Robust Flight Tether for In-Orbit Demonstrations of Coulomb Drag Propulsion (mdpi.com) 

Toivanen, P.; Janhunen, P.; Kivekäs, J.; Mäkelä, M. Robust Flight Tether for In-Orbit Demonstrations of Coulomb Drag Propulsion. Aerospace 2024, 11, 62. https://doi.org/10.3390/aerospace11010062