Kohti avaruuspurjehdusta; Nyt on tuotettu kilometrin mittainen sähköpurjelieka

Sähköinen aurinkotuulipurje eli sähköpurje koostuu pitkistä ja ohuista (25-50 mikrometriä) sähköä johtavista alumiinilangoista valmistetuista lieoista. Täysikokoisessa purjeessa liekoja voi olla jopa 100 kappaletta, joista jokaisen pituus on 20 kilometriä. Aluksessa on lisäksi korkeajännitelähde ja elektronitykki, joka ampuu pois elektroneja ja luo liekoihin positiivisen varauksen. Varattujen liekojen sähkökenttä ulottuu noin 100 metriä ympäröivään aurinkotuuliplasmaan. Aurinkotuulen varatut hiukkaset törmäävät tähän kenttään, jolloin syntyy vuorovaikutus, joka siirtää aurinkotuulesta liikemäärää avaruusalukseen. Verrattuna muihin menetelmiin, kuten ionimoottoreihin, sähköpurje tuottaa massaansa ja tehontarpeeseensa nähden runsaasti työntövoimaa. Koska purje ei kuluta ajoainetta, sen toiminta-aika on periaatteessa rajaton.

Sähköpurje herättää suurta kiinnostusta avaruuspiireissä, mutta tähän mennessä on ollut epäselvää, pystytäänkö sen tärkeimpiä osia eli pitkiä ja ohuita metalliliekoja tuottamaan.

- Helsingin yliopiston ryhmä on tiettävästi ensimmäinen maailmassa, joka käyttää ultraäänihitsausta lankojen liittämiseen toisiinsa lieaksi, kertoo ryhmän johtaja, professori Edward Hæggström fysiikan laitokselta.

Yksittäinen metallilanka ei kelpaa sähköpurjelieksi, koska kaikkialla avaruudessa lentävät mikrometeoroidit katkaisisivat sen nopeasti. Tästä syystä lieka täytyy valmistaa useasta langasta liittämällä niitä yhteen noin senttimetrin välein [kuva 1]. Silloin mikrometeoroidit saavat katkoa yksittäisiä lankoja ilman, että koko lieka katkeaa.

Liekatehdas on tuottanut kilometrin alumiiniliekaa

Elektroniikan tutkimuslaboratorio aloitti tuotanto-ongelman pohtimisen 4 vuotta sitten. Kansainvälisten ultraäänihitsauksen asiantuntijoiden mielipide oli tuolloin, että ohuiden lankojen yhteen liittäminen toisiinsa ei ole mahdollista. Nyt tuotettu kilometrin pituinen lieka, jossa on noin 90 000 ultraäänihitsausta, kuitenkin osoittaa, että menetelmä toimii ja että pitkien sähköpurjeliekojen tuotanto on mahdollista.

Lankaa tuotetaan täysin automatisoidulla liekatehtaalla, ryhmän itse kehittämällä ja rakentamalla elektronisesti ohjattavalla hienomekaanisella laiteella. [kuva 2]. Liekatehdas Kumpulan tiedekampuksella on liitetty muokattuun kaupalliseen ultraäänihitsauskoneeseen. Ultraäänihitsaus on elektroniikkateollisuudessa laajasti käytetty menetelmä, mutta normaalisti sitä sovelletaan langan liittämiseen alustaan.

- Tehtävämme on haastava, koska ohuiden lankojen pitäminen tarkasti ja toistuvasti täsmälleen oikeassa asennossa ei ole helppoa, sanoo laboratoriossa työskentelevä Timo Rauhala.

Liekaa tuotetaan nyt noin 3 metriä tunnissa. Sen laatu varmistetaan optisesti reaaliaikaisella mittauksella, joka tarkastaa jokaisen yksittäisen liitoksen kiinnittymisen. Tulevaisuudessa tuotantonopeutta on tarkoitus nostaa ja hitsausten laatu mitata tuotantoprosessin aikana.

Liekatehtaan tuotteet pääsevät pian tositoimiin avaruudessa. Ensimmäinen on ESTCube-1 -satelliitti, virolainen piensatelliitti, joka laukaistaan maaliskuussa 2013. ESTCube-1 avaa avaruudessa 15 metrin pituisen liean ja mittaa siihen kohdistuvan sähköpurjevoiman. Tämä on uraauurtavaa, koska tähän mennessä teoreettisesti ennustettua sähköpurjevoimaa ei ole vielä kokeellisesti mitattu.

Seuraavana vuorossa on Aalto-yliopiston piensatelliitti Aalto-1, joka laukaistaan 2014 ja joka avaa 100 metrin pituisen liean.

Avatut lieat pidetään avaruudessa suorina keskipakoisvoiman avulla, jonka suuruus täysikokoisessa sähköpurjeessa on noin 5 grammaa. Helsingin yliopistossa tuotetun sähköpurjeliean lanka-lankahitsaukset kestävät noin 10 gramman vedon.

Lisätietoja:
http://www.electric-sailing.fi
http://www.estcube.eu

https://wiki.aalto.fi/display/SuomiSAT/Etusivu

Kuvat pyynnöstä: minna.merilainen@helsinki.fi.

Kuva 1. Liekaa useasta langasta liitettynä noin senttimetrin välein, lähikuvassa yksittäinen liitos elektronimikroskoopilla kuvattuna. Kuvaajina Henri Seppänen & Sergiy Kiprich.

Kuva 2. Lankaa tuottava elektronisesti ohjattava hienomekaaninen laite. Kuvaaja Timo Rauhala.

Lisätietoja antavat Timo Rauhala, puhelin 045 673 5741, Henri Seppänen, puhelin 050 413 3778,  ja Edward Hæggström, puhelin 044 55 88 878.

Ystävällisin terveisin

Minna Meriläinen-Tenhu, tiedottaja, puhelin (09) 191 51042