E-purjedega kosmosesse
Ülo Vaher
10.03.2014

Päikesepurjede kasutamine kosmoselaevadel on juba ammu paelunud ulmeromaanide ja -filmide autorite kõrval ka teadlasi ning insenere. Liikumapaneva jõuna on peetud silmas päikesevalguse rõhku, kuid siiani ei ole need ideed andnud soovitud tulemusi. Viimastel aastatel on aga Soome teadlased tulnud välja revolutsioonilise ideega – kasutada hoopis päikesetuult ning elektripurje. Selle idee teenistuses on ka meie uhkus ‒ ESTCube-1.

Tänapäevased kosmosesõidukid liiguvad peamiselt inertsi mõjul sarnaselt kahurikuuliga, nagu seda kirjeldas juba Jules Verne oma kuulsas ulmeromaanis. Kosmoselaeva „mootor” – tema kanderakett ‒ heidetakse pärast mõneminutilist tööd ja vajaliku algkiiruse saavutamist lihtsalt minema („äraaetud hobused lastakse ju maha”) ning edasine liikumine toimub üksnes inertsi ja raskusjõu toimel. Vaid asendi korrigeerimiseks võivad pardal olla pisikesed reaktiivtõukurid. Võimsat mootorit ja selle kütust ei saa kaasa võtta, sest see suurendaks liigselt sõiduki kaalu/massi, see aga omakorda tähendaks vajadust veelgi suurema mootori järele jne – tekiks ju suletud ring.

Purjed pürgivad kosmosesse
Tuhandeid aastaid liikusid meredel laevad ju ilma mootorite või kateldeta ega vajanud kütuse kaasavedamist, sest liikumapanevaks jõuks oli tuul, mida püüti kinni purjedega.
Suur ahvatlus on kasutada analoogset printsiipi ka kosmoses ja seda on üritatud ammu, kasutades suure pindalaga kilet e purje. Erinevalt merelaevadest ei puhu neisse aga mitte tuul, sest seda ju väljaspool atmosfääri lihtsalt ei ole, vaid kosmoselaevad paneks liikuma hoopis päikesekiirguse valguseosakeste footonite rõhk, mistõttu on need kiled või purjed saanud ka nimeks päikesepuri.
Valguseosakesed, nagu ka kõik muud elektromagnetilised lained, avaldavad pinnale, millega nad kokku puutuvad, teatud rõhku, sest nad annavad sellele üle impulsi, mis on võrdeline valguseosakese energia (p=E/c, kus c on valguskiirus) ja langemisnurga koosinuse ruuduga. Kahjuks on see valguse rõhk enamasti üliväike. Näiteks Maa atmosfääri väliskihis ideaalselt peegeldava pinna puhul on rõhk vaid 9 µPa, mittepeegeldava pinna korral on see aga veel kaks korda väiksem. Mis sellest järeldub? Aga see, et kosmosesõiduki puri peab olema hiigelsuur – 1 kg veojõu saavutamiseks on vaja vähemalt 1 km2 suurust purje (!). Samas peab purje materjal olema ülikerge, sest juba meile harjumuspärane kirjutuspaber kaaluks 1 km2 suurusena tervelt 80 tonni isegi ilma mingite tugivarrasteta. Siit tuleneb omakorda veel üks kosmonautika arengu ülesanne materjaliteadusele – töötada välja üliõhuke ja ülikerge kile, mis oleks ka mehaaniliselt ja termiliselt piisavalt vastupidav, et taluda kosmoses valitsevaid tingimusi. Selles osas on õnneks juba praegu saavutatud üsna häid tulemusi (sadu kordi paberist kergemad kiled) ning suured lootused on seotud nanomaterjalide ja nanotehnika kasutamisega.

Probleemid purjedega
Purjede juures osutus ootamatult suureks ja raskeks probleemiks sellise töökindla meetodi leidmine, mis harutaks kosmoses purjed lahti ja laotaks nad laiali. Sel eesmärgil on paljudes laborites ja konstrueerimisbüroodes tehtud visa arendustööd, kusjuures pingutused on sageli lõppenud ebaõnnestumistega.
Teatavasti on purjedel üks suur eelis – nad on töös n-ö pidevalt ja seeläbi aina kiirendavad kosmosesõidukit, st suurendavad kiirust. Traditsioonilisel viisil rakettide abil orbiidile saadetud kosmilised objektid liiguvad enamasti kiirusega ligikaudu 10 km/s ning mööda spiraali, mis tähendab, et kaugemate planeetideni jõudmiseks kulub neil aastakümneid. Mingil määral võib liikumiskiirust siiski suurendada, kui trajektoor läheb mõne planeedi lähedalt mööda, siis saab selle gravitatsioonjõu toimel suurendada kosmoselaeva kiirust. Kui 10tonnisel kosmoselaeval oleks puri pindalaga 1 km2, siis saaks ta kiirenduse 0,4 mm/s2, seega aasta jooksul kasvaks tema kiirus „tervelt” 10 km/s.
Päikesepurjede kosmosesse saatmise katsed algasid rea ebaõnnestumistega. Esimene edu saatis NASAt alles 2010. aastal, mil kanderaketiga Minotaur 4 saadeti orbiidile satelliit FASTSAT. Selles olnud 9,3 m2 puri NanoSail-D2 avanes 20. jaanuaril 2011 ning toimis 240 päeva.

IKAROS saavutab edu
Märksa väljapaistvamad saavutused päikesepurjede alal kuuluvad Jaapani kosmoseagentuurile JAXA, kes töötas välja päikesepurje IKAROS, mis saadeti raketi H-IIA pardal orbiidile 2010. aasta mais koos Veenuse kliimamonitoriga Akatsuki. Lennul avati edukalt 200 m2 suurune 7,5 mikroni paksune ja 2 kg kaaluv polüimiidist (Kapton) päikesepuri, mille abil kasvatas rakett oma liikumiskiirust kuuekuulise katse käigus 100 m/s. Purje edukas avanemine saavutati tänu selle nurkadesse paigutatud lisaraskustele ja purje pöörlema panemisele. Päikesepurje avanemise käiku jälgisid ja jäädvustasid spetsiaalsed kaamerad. IKAROSe aparatuuri varustamiseks elektrienergiaga olid purje pinnale kinnitatud õhukesest kilest valmistatud päikeseelemendid. 2010. aasta detsembris jõudis IKAROS Veenuse juurde ja möödus temast vaid 80 000 km kauguselt.
NASA projekt Sunjammer näeb ette senistest veelgi suurema (pindalaga 1200 m2) päikesepurje saatmist Päikesesüsteemi uurivale reisile nn Lagrange’i püsipunkti L1 juba järgmise aasta jaanuaris Elon Muskile kuuluva firma SpaceX kanderaketi Falcon 9 abil. Päikesepuri on valmistatud 5 mikroni paksusest Kapton-kilest ning kaalub kõigest 32 kg. See puri arendab veojõudu 0,01 N. Purje manööverdusvõime saavutatakse selle tugivarraste otstesse paigutatud miniatuursete lisapurjekeste abil.

Pööre päikesepurjede vallas – E-puri
Nagu eespool nägime, on tõelisteks reisideks teistele planeetidele, rääkimata eksoplaneetidest, tarvis ehitada vähemalt ruutkilomeetrise pindalaga päikesepuri, toimetada see kosmosesse ja seal õnnelikult avada. Kahjuks tänapäeval tehnika seda veel ei võimalda. Õnneks sähvatas Soome meteoroloogia instituudi teadlase Pekka Janhuneni peas 2006. aastal geniaalne idee – panna kosmoselaeva puri liikuma mitte valguse rõhu abil, vaid kasutada selleks päikesetuult ning purjed ehitada mitte materiaalsest kilest, vaid hoopis kaalutust virtuaalsest materjalist – nimelt elektriväljast, millele annab liikumapaneva jõu päikesetuule prootonite elektriväli. Janhuneni arvutuste kohaselt võiks nii luua purje, mille läbimõõt ulatuks isegi kümnete kilomeetriteni. See uus purjetüüp sai nimeks elektriline päikese(tuule)puri või E-puri.
Mis asi on see päikesetuul? Päike on teatavasti ülisuur ja ülikuum pidevalt keev vesiniku/plasmakera, mille keskmes töötab termotuumakatel. Peale kõigi lainepikkustega elektromagnetlainete, sealhulgas ka valguse, purskuvad temast välja elektriliselt laetud osakesed – elektronid, prootonid ja alfa-osakesed. Nende koguarv on umbes 1,3 x 1036 sekundis ja kogumass vastavalt miljon tonni sekundis. Päikese kroonis toimivate tugevate magnet- ja elektriväljade mõjul nad kiirenevad ning saavutavad kiiruse umbes 400 (nn aeglane komponent) ja 750 km/s (nn kiire komponent). Nende teele sattunud objektidele avaldavad osakesed dünaamilist rõhku, mis on võrdeline nende arvu ja kiiruse ruuduga. Arusaadavalt, mida kaugemal Päikesest, seda nõrgem ka päikesetuule rõhk. Maa-lähedases kosmosepiirkonnas on päikesetuule rõhk 1–6 µPa (1–6 x 10-9 N/m2), seega ligi tuhat korda väiksem, kui valguse rõhk(!).

Kuidas elektriline puri töötab?
Kas päikesetuule kasutamisel meie probleemid hoopis ei kasva? Õnneks ei, sest kilest või muust materjalist kaalukat purje me ei vaja, sest purje loome vaid elektrivälja näol. Selle loomiseks pakkus Janhunen välja idee sirutada kosmoselaevalt välja elektroodid-traadid ja laadida need positiivse elektrilaenguga, sest laetud elektrijuhtmete ümber tekib siis staatiline elektriväli, mis olenevalt varda laengu suurusest võib ulatuda mitmekümne meetri kaugusele. Kui nüüd päikesetuule prootonid, mis teatavasti kannavad positiivset laengut, jõuavad elektritraatide poolt moodustatud elektriväljani, siis nad põrkuvad füüsikaseaduste järgi tagasi umbes nagu muinaskindluse vallutajate nooled selle kaitsjate kilpidelt, ja annavad seejuures elektrivälja kaudu oma impulsi üle ka elektrikilpi kandvatele traatidele ja nendega seotud kosmoselaevale.
Algselt oli Janhunenil idee moodustada elektriline puri ruudukujuliselt paigutatud traatidest n-ö suuresilmalise (10 m) võrguna, kuid hiljem leidis ta, et elektritraate on otstarbekam paigutada hoopis radiaalselt ‒ nii on neid lihtsam laadida nende keskosas paikneva elektronkahuri abil potentsiaalini kuni 20 kV, mis ammutaks oma energia suhteliselt mõõdukate mõõtmetega päikesepaneelilt. Elektritraate peaks olema 20–50 ja nende pikkus 20 km (!). Selleks, et nad purje liiga raskeks ei teeks, tuleb traadid teha alumiiniumist ja hästi peentena, läbimõõduga 20 mikronit. Mikrometeoriitide kahjustuste ärahoidmiseks valmistatakse nad mitmekiulistena ja keevitatakse iga 5 cm järel kokku, kasutades selleks Soomes spetsiaalselt välja töötatud ultrahelikeevituse meetodit. Soomes on juba õnnestunud sel moel kokku keevitada isegi 1 km pikkune traat. Traatide vahele paigutataks potentsiomeetrid, mille abil saab nende pinget muuta ja selle kaudu neile mõjuva päikesetuule jõudu reguleerida ning ühtlasi ka liikumissuunda muuta. Purjele vajaliku stabiilsuse andmiseks tuleks kogu süsteem panna pöörlema. Selleks on välja pakutud mitu erinevat meetodit.

Millised on elektrilise päikesepurje peamised rakendusalad
1) Tänu suuremale kiirusele (>50 km/s) saavad toimuda lennud Päikesesüsteemist ja heliosfäärist välja. 2) Võivad toimuda edasi-tagasi missioonid Päikesesüsteemi-sisestele objektidele. 3) Kosmoseilma (ka magnettormide) varasemaks ennustamiseks saaks vaatlusjaamad paigutada Päiksele lähemale kui Langrange’i punkt L1. 4) Saaks luua orbitaalseid kütusejaamu.
Elektrilise päikesepurje projekti on hakanud rahastama ka Euroopa Liit ja selles osalevad 5 riiki ning see kestab kolm aastat.

ESTCube-1 lööb kampa
Üks kosmosetehnika tormilise arengu tunnuseid on ka selle mikrominiaturiseerumine, mille üheks näiteks on nanosatelliitide (massiga umbes1 kg) massiline meisterdamine kõrgkoolide tudengirühmade poolt, kes kasutavad selleks Californias leiutatud standardseid kuubikujulisi CubeSat-nimelisi ehitusplokke-mooduleid (1 kuni 3) mõõtmetega 10 x 10 x 10 cm. Need on osutunud väga efektiivseks meetodiks tudengite huvi äratamisel kosmosetehnoloogia vastu ning nende sellealasel koolitamisel. Praeguseks on oma kuupsatelliidi loonud või sellega tegelemas umbes poolsada kõrgkooli, nende hulgas ka Vilniuse ja Kaunase ülikool. Eesti kõrgkoolide tudengid võtsid eesmärgiks luua Mart Noorma ja Silver Läti juhtimisel nanosatelliit, millega saaks kontrollida 10 m pikkust traadist elektripurje. Traat keritakse välja satelliidi pöörlemisest tekkiva tsentrifugaaljõu mõjul ning edasi uuritakse ja mõõdetakse elektripurje aluseks olevaid füüsikalisi protsesse, sealhulgas Maa ionosfääri plasmaosakeste mõju elektriliselt laetud traadikujulisele päikesepurjele. Peale kosmiliste objektide vedamise funktsiooni on teadlaste sooviks rakendada seda vajadusel ka nende pidurdamiseks (nn plasma brake) ja selle tulemusena objektide viimiseks tihedatesse atmosfäärikihtidesse nende seal õhuhõõrdumise abil ärapõletamiseks. Tänaseks on Maa-lähedane kosmos (ionosfäär) tugevasti saastunud kosmosetehnika vanaraua ja tarbetuks muutunud prügiga.
Traadist päikesepurje katsetatakse kosmoses seetõttu, et tõeline päikesetuul ei pääse tavaliselt Maa-lähedasesse kosmosese, sest seda ei lase sinna Maa magnetosfäär. Küll on aga sealses ionosfääris vabu prootoneid ja elektrone ning seetõttu võib üritada mõõta nende toimet elektripurje traadile. Selle probleemi uurimisele on pühendatud ka Aalto ja Helsingi ülikooli ESTCUBE-1 sarnane kuid täiuslikum nanosatelliit. See koosneb kolmest kuupmoodulist ja sisaldab märksa rohkem mõõtmisaparatuuri ning püüab välja sirutada koguni 100 m pikkuse purjetraadi. Elektrilise päikesepurje arendamisele suunatud koostöö Soome ja Eesti vahel kulgeb edukalt.

Sarnased artiklid