Pekka Janhuse leiutatud elektriline päikesepuri tõotab murrangut kosmoselendudes

Meile tuttavad tuuled kosmoses ei puhu, aga Päikeselt lähtuv kiirgusrõhk, nagu ka laetud osakeste päikesetuul on selgelt märgatav, ning kui näiteks Marsile lendava kosmosealuse kurssi ei korrigeeritaks, tõukaks valguse ja Päikesest paiskuvate gaaside või osakeste koosmõju aparaadi koguni tuhat kilomeetrit kursilt kõrvale.

EstCube-1 pardal katsetatav kosmosepuri, mille autoriks 2004. aastal oli Soome meteoroloogiakeskuse teadur Pekka Janhunen, on küll uut sorti idee päikesepurje arendamiseks, aga ta pole kaugeltki ainus, kes selliseid ideid arendab.

Satelliidi elektriväljale maksimaalse pindala loomiseks keritakse satelliidist välja üks või mitu peenikest traati, mis laetakse elektriliselt. Kõik laetud traadid tekitavad koosmõjus elektrivälja, mis on võimeline Päikeselt tulevate osakeste trajektoore muutma. Tänu sellele annavad osakesed osa enda impulsist üle traatidele ja läbi selle ka kogu satelliidile. 1000 kg massiga kosmoseaparaat sisaldaks 100 kg massiga moodulit, mis keriks välja 100 traati, neist igaühe pikkus oleks 20 km. Kokku mõjutaks selline päikesepuri satelliiti umbes 1 N jõuga. Selline tõukejõud võib küll tunduda väike, kuid seda saab rakendada satelliidile kogu selle eluea jooksul ilma kütusekuluta. Ühe aasta jooksul saaks selliselt satelliidi kiirusele lisada 30 km/s. Tehnoloogia oleks üks odavaimaid ja samas teeks võimalikuks senisest kiiremad reisid Päikesesüsteemis. Seeläbi muutub praktiliseks asteroididelt kaevandamine, maandumisega missioonid Merkuurile ja suurte kaubakoguste transportimine kosmoses, kirjutab estcube.eu.

Algne idee Riiast
Päikesepurje idee algseks autoriks peetakse juba 1920. aastatel Riiast pärit baltisakslast Friedrich Zanderit, kes töötas NSV Liidus. Ometi on Jules Verne’i ulmenovellist “Maalt Kuule” võimalik sarnast mõtet välja lugeda juba 1865. aastal. NASA on tõsisemalt töötanud selle kontseptsiooniga 1976. aastast alates. Kuid enamik ideid ongi arendanud päikesepurje just purje kujul, Janhuse traadistik on uus lähenemine.

Jaapani kosmoseagentuur JAXA pääses rekorditeraamatusse 2010. aastal kosmoseaparaadiga IKAROS, mis oli ka esimene tegelik päikesepurje katsetus avakosmoses. Veenusest mööda lennanud aparaat sai päikesest lisahoogu.

Juba 1993. aastal laotati Vene kosmosejaamal Mir lahti puri Znamja-2, kuid sellega lisakiirendust ei tekkinud. Järgnes veel mitu nurjunud katsetust Venemaa poolelt. NASA sai esimese päikesepurje Nano-Sail D kosmoses lahti laotatud alles pool aastat pärast jaapanlasi 2010. aastal. NASA kavatseb seni suurima 1200-ruutmeetrise pinnaga päikesepurje üles saata 2014. aastal.

Janhuse idee
Elektriline päikesepuri on teoreetiline kosmosesõiduki käitursüsteem, mis kasutab jõuallikaks päikesetuule dünaamilist rõhku, kirjutab Vikipeedia. Purje rakendamisel saab võimalikuks ehitada kiireim inimloodud sõiduk mille kiirus võib ületada 30 km/s. Hetkel on kiireim inimese loodud kosmosesõiduk Voyager 1, kiirusega ligikaudu 17 km/s.
Purje seade tekitab peenikeste traatide ümber elektrivälja, mis toimib „virtuaalse“ purjeriidena ning mille abil saab see päikesetuules leiduvatelt prootonitelt hoogu. Elektriline päikesepuri võimaldab kiiret ja säästliku liikumist päikesesüsteemi piires. Elektrilise päikesepurje leiutajaks on Soome Meteoroloogia Instituudi teadlane Pekka Janhunen.

Tööpõhimõte ja disain
Elektriline puri koosneb mitmest radiaalselt ümber kosmoselaeva paiknevast peenikesest, pikast ning juhtivast lõast mida hoitakse kõrge positiivse potentsiaali all. Positiivselt laetud lõõg tekitab enda ümber suure elektivälja, mis mõjutab päikesetuules lenduvate prootonite trajektoore ning kogub neilt seeläbi impulssi. Samaaegselt koguneb lõale päikesetuules leiduvaid elektrone, mille eemaldamiseks kasutatakse elektronkahurit. Üks viis purje struktuuri loomiseks, on panna kosmoselaev pöörlema ümber oma telje ning lasta tsentrifugaaljõul lõad seadmest välja tõmmata. Hiljem saab sama mehhanismiga lõõgasid pinges hoida. Kontrollides üksikute lõõgade potensiaali on võimalik purje päikesetuule suhtes kallutada ning seeläbi kosmoselaeva juhtida.

Lõõg
Purje lõõg koosneb peenetest alumiiniumtraatidest, mis on omavahel ühendatud ultrahelikeevitusega. Ühe traadi läbimõõt on 25–50 μm. Lõa tootmise tehnoloogia arendati spetsiaalselt elektrilise päikesepurje tarbeks Soomes. Kosmoses ringi lendavad mikrometeoriidid võivad suure tõenäosusega tabada lõõga ning seda lühemaks lõigata, seetõttu on mitmest peenest alumiiniumtraadist koosneva lõa eluiga kordades pikem kui üksiku traadiga lõal. EstCube-1 pardal on veel 15-meetri pikkused lõad, järgnevalt, soomlaste 2014. aastaks kavandatud satelliidi Aalto-1 peal kavatsetakse katsetada juba sajameetriste lõõgadega.

Puri
Täismõõdus missiooni puhul koosneks puri viiekümnest kuni sajast 20 km pikkusest lõast millele rakendatakse pinge kuni 20 kV. Iga lõa otsas on väike lisaelement – väiksem satelliit (kuni 1 kg), mis on ühendatud nööridega oma naaberelementidega. Lisaelementidest moodustuv välisring annab purjele stabiilsust ning takistab lõõgadel omavahel kokku puutuda. Iga lõa tekitatud elektriväli ulatub kümneid meetreid kosmosesse. Kokku tekitab puri üle 40 km2 suuruse efektiivse pindala. Muutes üksikute lõõgade pingeid, on võimalik purje tasandit päikesetuule suhtes kallutada ning vähesel määral muuta sõiduki liikumissuunda.

Piirangud
Elektrilist päikesepurje ei saa kasutada seespool planeetide magnetosfääri, sest seal pole päikesetuult, vaid aeglased plasmavood ja magnetväljad. Kuigi purje on võimalik kallutada, on jõuvektor alati suunatud enam-vähem radiaalselt päikesest eemale. Hinnanguliselt on maksimaalne töötav purje kaldenurk päikesetuule suhtes 60°, andes tõukejõu vektori suurimaks nurgaks 30° radiaalsuuna suhtes.

Kasutusalad

• Kiired lennud (>50km/s) päikesesüsteemist ja heliosfäärist välja
• Edasi-tagasi missioonid sisemistele päikesesüsteemi objektidele
• Kosmoseilma ennustamiseks vaatlusjaamade paigutamine päiksele lähemale kui Lagrange punkt