Sähköpurje

Sähköpurje on osin hypoteettinen propulsiojärjestelmä, joka saisi työntövoimansa Auringosta virtaavasta plasmasta eli aurinkotuulesta.
Sähköpurjetta ei tule sotkea aurinkopurjeeseen, joka käyttää Auringon sähkömagneettisen säteilyn säteilypainetta työntövoimanaan. Sähköpurje käyttää Auringon hiukkassäteilyä. Kun sähköpurjeeseen tehdään sähkökenttä saadaan plasman hiukkasilta purjeeseen työntövoimaa. Käytännössä purje koostuisi hyvin ohjuista alumiinijohdoista, lieoista. Purjeen suuntaa voidaan ohjata säätämällä yksittäisiä liekoja.
Sähköpurjeen idean esitti vuonna 2006 Ilmatieteen laitoksen tutkija Pekka Janhunen.

Historia

Aurinkotuulen käyttämistä työntövoimana pohdittiin ensimmäiseksi 1980-luvulla, kun Robert Zubrin ja Dana Andrews ehdottivat magneettista purjetta, mutta sen tekninen toteuttaminen osoittautui hankalaksi. Vuonna 2004 Pekka Janhunen tutki magneettikentän sijaan sähkökentällä toimivaa purjetta. Janhusen ideana oli käyttää kymmeniä kilometrejä sähköisesti varattua verkkoa, joka hylkisi aurinkotuulen hiukkasia ja näin siirtäisi liikemäärää avaruusalukseen. Idean ongelmana oli verkon avaaminen ja kiristäminen. Kaksi vuotta myöhemmin, vuonna 2006, oivallettiin, että yksittäiset lieat toimisivat yhtä hyvin kuin verkko ja niiden avaaminen ja kiristäminen olisi huomattavasti helpompaa. Marraskuussa 2010 keksintö voitti Laatukeskuksen laatuinnovaatiopalkinnon ”Potentiaaliset innovaatiot” -sarjassa.
Vuodesta 2010 vuoteen 2013 EU:n seitsemäs puiteohjelma rahoitti yhteensä 1,8 miljoonaa euroa sähköpurjeen avainkomponenttien prototyyppien kehittämisen. ESAIL-nimiseen projektiin osallistui yhdeksän laitosta viidestä maasta.
2016 Nasa aloitti Heliopause Electrostatic Rapid Transit System (HERTS) -hankkeessa sähköpurjeen testaamisen plasmakammiossa.

Koelennot

Vuonna 2013 laukaistun virolaisen ESTCube-1-satelliitin oli tarkoitus mitata sähköpurje-efektiä 10 metriä pitkällä liealla. Satelliitin laukaistaessa eräs kullalla pinnoitettu osa kului, minkä vuoksi liekaa ei voitu kelata auki.
Yksi vuoden 2017 kesäkuussa laukaistun suomalaisen Aalto-1 -satelliitin hyötykuormista on 100 metrin pituisella liealla varustettu plasmajarru.

Tekniikka

Kun plasmaa virtaa sähköisesti varatun metallilangan ohitse, langan sähkökenttä poikkeuttaa plasman varattuja hiukkasia siirtäen metallilankaan liikemäärää. Koska elektronit ovat massaltaan protoneja paljon pienempiä niiden välittämät liikemäärät ovat mitättömiä.
Sähköpurje koostuu useista pitkistä ja ohuista sähköä johtavista alumiinilieoista. Purje saatetaan pyörimisliikkeeseen, mikä vetää lieat suoriksi. Sähköpurjeen vakauttamiseksi liekojen kärkiin asetetut niin sanotut etäyksiköt yhdistävät liekojen päitä apulieoilla. Etäyksiköt sisältävät apuliekojen kelat sekä työntövoimalaitteet, joilla voidaan käynnistää ja tarvittaessa säätää sähköpurjeen pyörimistä. Positiivisesti varatut lieat hylkivät Auringosta virtaavan plasman protoneja siirtäen liekoihin liikemäärää. Korkean positiivisen varauksen ylläpitämiseen sähköpurjeessa on elektronitykki, joka ampuu liekojen keräämiä elektroneja pois. Koska yhden liean kokema työntövoima riippuu sen sähköisestä potentiaalista, sähköpurjeella varustetun avaruusaluksen suuntaa voidaan ohjata säätämällä aluksen ja yksittäisten liekojen välistä sähkövastusta.

Lieka

Sähköpurjeen lieat on suunniteltu kestämään mikrometeoroidien iskuja. Yksi niin kutsuttu Heytether-lieka koostuu yhdestä 50 mikrometrin paksuisesta päälangasta ja useista 25 mikrometrin paksuisista langoista, jotka liitetään päälankaan niin, että ne muodostavat useita silmukoita. Päälangan katketessa katkaisukohdan ehjään silmukkaan kohdistuu kuorma ja silmukka suoristuu.
Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella rakennettu automatisoitu liekatehdas pystyy tuottamaan 4-lankaista Heyther-liekaa 70 metriä vuorokaudessa. Kone ultraäänihitsaa kolme lankaa päälankaan sähköpurjetta varten kehitetyllä menetelmällä. Liitosten välinen etäisyys on noin senttimetri.

Etäyksikkö ja apulieka

Liekojen toisiinsa törmäämisen estämiseksi niiden kärkiin on asennettu niin sanotut etäyksiköt ja niitä yhdistävät apulieat. Yksi etäyksikkö sisältää kaksi apuliekakelaa sekä sähköpurjeen pyörimisen käynnistämiseen ja säätöön käytetävän työntövoimalaitteen.
ESAIL-projektia varten rakennetussa etäyksikön prototyypissä oli kaksi vaitoehtoista työntövoimalaitetta – kylmäkaasu- tai ionimoottori. Myös aurinkopurje materiaalista tehtyä "fotonimelan" käyttöä on harkittu pyörimismäärän tuottajaksi.
Kahta etäyksikköä yhdistävä apulieka on ohutta UV-säteilyä vastustavaa kapton-nauhaa. Apulieka on rei'itetty, mikä lisää sen elastisuutta ja vähentää repeytymistä. Kiristettynä rei'itetty nauha muuttaa muotoaan, minkä ansiosta se kestää mikrometeoroidien iskuja paremmin.

Käyttö plasmajarruna

Maan magnetosfääri suojaa Maata aurinkotuulelta, joten sen sisäpuolella sähköpurjetta ei voida käyttää, mutta purjeen toimintaperiaatetta voidaan hyödyntää plasmajarrussa. Plasmajarrulla varustetut pienet satelliitit voitaisiin tuoda alas matalalta Maan kiertoradalta takaisin ilmakehään ja näin varmistettaisiin, ettei avaruuteen kertyvän avaruusromun määrä lisäänny. Jarrun yksittäinen lieka varataan negatiivisesti, jolloin se vetää Maan ionosfääristä ioneja puoleensa hidastaen satelliitin ratanopeutta. Plasmajarrun ei tarvitse poistaa liean keräämiä ioneja, sillä satelliitin rungon keräämä elektronivirta riittää kompensoimaan liean keräämän ionivirran.