Elektriske solseil

Seil med solvinden til asteroidene, foreslår finsk forsker. En ny type elektriske solseil skal prøves ut i rommet.

Publisert
Det elektriske solseilet bruker ikke lyset, men de elektrisk ladede elektronene i solvinden som drivkraft. E-seilet ble oppfunnet av den finske forskeren Pekka Janhunen i 2006, og skal neste år for første gang prøves ut i rommet. (Foto: (Illustrasjon: Alexandre Szames, Antigravite, Paris))
Det elektriske solseilet bruker ikke lyset, men de elektrisk ladede elektronene i solvinden som drivkraft. E-seilet ble oppfunnet av den finske forskeren Pekka Janhunen i 2006, og skal neste år for første gang prøves ut i rommet. (Foto: (Illustrasjon: Alexandre Szames, Antigravite, Paris))

Internasjonal romfartskonferanse i Napoli


 

forskning.no rapporterer fra International Astronautical Congress, nummer 63 i rekken, som fant sted forrige uke i Napoli, Italia.


Fram til nå har solseil vært ensbetydende med store, tynne folier som speiler lyset fra sola. Lyspartiklene – fotonene – lager nemlig et svakt trykk når de treffer seilet.

Slike fotonseil er blant annet prøvet ut i den japanske Ikaros-sonden i bane rundt planeten Venus i 2010.

Seile på solvinden

Men Pekka Janhunen fra det finske Kumpula-romsenteret  tenker i andre baner. Han vil ikke seile på sollyset.

På den internasjonale romfartskongressen i Napoli fortalte han om sin egen oppfinnelse fra 2006: Romskip kan isteden seile på solvinden.

Denne solvinden er hydrogenkjerner og elektroner som blåser ut fra sola. Selv om vinden er mye, mye svakere enn vinden på jorda, kan den også gi en framdrift.

Seil av tråder

Solvindseilet til Janhunen har en stor fordel framfor fotonseilet. Det trenger ikke å være et seil. Det kan bare være en krans med tynne tråder, omtrent som eiker i et sykkelhjul.

Trådene er mye enklere å spre ut i rommet enn en folie. De kan holdes stramme av sentrifugalkraft ved at hjulet spinner. Trådene veier mindre enn et folieseil, og tar mindre plass.

Men hvordan er det mulig å lage et seil av tråder? Vil ikke vinden blåse rett gjennom? Forklaringen ligger i de elektriske kreftene som solvindseilet utnytter. Janhunen kaller det et e-seil.

Figuren viser hvordan trådene er omgitt av et elektrisk felt (stiplede linjer). På det ferdige solseilet vil det være 100 tråder, slik at feltene vil henge sammen og danne et elektrisk seil. Trådene holdes utstrukket av sentrifugalkreftene når solseilet roterer. (Foto: (Figur: www.electric-sailing.fi, bearbeidet av forskning.no))
Figuren viser hvordan trådene er omgitt av et elektrisk felt (stiplede linjer). På det ferdige solseilet vil det være 100 tråder, slik at feltene vil henge sammen og danne et elektrisk seil. Trådene holdes utstrukket av sentrifugalkreftene når solseilet roterer. (Foto: (Figur: www.electric-sailing.fi, bearbeidet av forskning.no))

Elektriske felt

Solvinden er nemlig elektrisk ladet. Hydrogenkjernene har pluss-ladning, og elektronene har minus-ladning.

Janhunen vil gi de tynne trådene i e-seilet en kraftig plussladning. Da blir det dannet et positivt elektrisk felt. Dette feltet strekker seg ut som et usynlig seil mellom trådene.

De negative elektronene fra solvinden treffer det positive feltet. Da blir de bremset opp, akkurat som når vinden treffer seilet til et skip på jorda. De overfører bevegelsesenergien sin til seilet, og dermed til skipet.

Men det finske seilskipet kan sette kurs for fjernere mål enn den største fullrigger på verdenshavene. Janhunen foreslår en ferd til asteroidene.

Asteroidehopping

En slik ferd kan hoppe fra asteroide til asteroide, omtrent som en seilbåt på øyhopping i Egeerhavet. Dette er mulig fordi solseil kan manøvrere friere enn vanlige romskip.

Romskip uten solseil må bruke raketter. Rakettene fyres typisk av i starten av ferden. Så må romskipet følge en fastlagt bane som bestemmes av tyngdefeltene fra planetene i solsystemet. 

E-seilet gir derimot en svak, men jevn kraft fra solvinden under hele ferden. Og solseilet kan styres  ved å endre de positive ladningene.

Hvis du regulerer ned den positive spenningen på den ene siden av trådhjulet, vil kraften fra solvinden bli svakere på denne siden. Dermed vil seilet vri seg.

På denne måten kan e-seilet styres fra asteroide til asteroide langs baner som er mye raskere og kan styres friere enn med raketter.

Og romskipet trenger ikke noe tyngende drivstoff om bord. Drivkraften kommer fra sola.

E-seil egner seg godt til å "hoppe" fra asteroide til asteroide, fordi seilene kan styres. De kan også brukes til å avbøye asteroider slik at de ikke kolliderer med jorda. (Foto: ESA- P. Carill)
E-seil egner seg godt til å "hoppe" fra asteroide til asteroide, fordi seilene kan styres. De kan også brukes til å avbøye asteroider slik at de ikke kolliderer med jorda. (Foto: ESA- P. Carill)

Krysser inn mot Merkur

Andre romferder er også mulige. Solseilet kan vris slik at romskipet bremses i banen rundt sola. Dermed sendes det innover, for eksempel mot planeten Merkur.

Janhunen foreslår en ekspedisjon med to sonder. Den ene lander og henter stein fra overflaten. Den andre frakter steinene tilbake til jorda.

Dataklipper

E-seilet kan også brukes til det som Janhunen kaller en dataklipper. Klippere var de raskeste seilbåtene på 1800-tallet. Romklipperen vil ha en liten, men viktig frakt i lasterommet: data fra romsonder.

I dag kan nemlig romsondene samle inn enorme datamengder. Høyoppløselige bilder og video og andre resultater fra fjerne kloder tar lang tid å overføre via radiosignaler til jorda. Dette begrenser hvor mye data som forskerne kan ta imot.

Minnebrikker blir derimot stadig mindre, og har plass til stadig mer. Janhunen foreslår derfor at dataklipperen vender tilbake med minnebrikken til rommet nær jorda.  Så sender den over innholdet raskere og med mindre effekt herfra.

Dra til nye steder

E-seil kan også brukes til å manøvrere romskip inn til steder i rommet som er vanskeligere å nå med raketter.

Ett slikt sted er høyt opp over planetbanene.  Her kunne et solteleskop se ned på en av polene til sola.  Dette kunne være nyttig for å studere utbruddene på sola, mener Janhunen.

Redder jorda

Andre plasseringer kan gi utkikksposter mot asteroider som kommer farlig nær jorda, og kanskje kan kollidere.

Det siste og mest eventyrlige forslaget er å bruke e-seil til å taue slike asteroider vekk fra kollisjonskursen. Selv om e-seilet har liten kraft, så virker kraften jevnt over mange år.

Dette kan bety forskjellen på en bane som sneier jorda og en katastrofal fulltreffer.

Opp med studentsatellitter

I desember 2010 fikk Janhunen og kollegene hans EU-penger til å bygge prototyper på de viktigste delene av e-seilet i laboratoriet.

De har for eksempel bygget snella som skal kveile opp de tynne trådene, og vist hvordan de kan spoles ut i rommet.

Dette prosjektet er ferdig i desember 2013. Men allerede mars samme år skal en ti meter lang tråd sendes opp med en liten studentsatellitt som er bygget i Estland.

I 2014 skal så en hundre meter lang tråd prøves ut på den første finske studentsatellitten, Aalto-1.

Videoen fra University of Helsinki viser hvordan de tynne trådene produseres i laboratoriet.

Kilometerlange tråder

Seinere håper Janhunen på at EU vil godkjenne deres neste prosjekt, Solar Wind Electric Sail Test (SWEST). Dette er en litt større satellitt med fire tråder som er en kilometer lange.

Den skal sendes med en stor Ariane 5-rakett til en høyere bane, der solvinden blåser slik som i rommet mellom planetene.

Hvis dette prosjektet ikke får penger, vil Janhunen forsøke å skalere satellitten ned til samme størrelse som de to første.

Han forteller at deltakerne i prosjektet kommer fra Finland, Sverige, Estland, Tyskland og Italia. De er åpne for samarbeid med alle som vil være med på å få skikkelig solvind i e-seilet.

Referanse og lenker:

Pekka Janhunen, Sini Merikallio, Petri Toivanen, Jouni Envall and Jouni Polkko: Possibilities Opended by Electric Solar Wind Sail Technology,  63rd International Astronautical Congress, Naples, Italy.

Nettsiden til prosjekt Electric Solar Wind Sail

Om den estiske studentsatellitten ESTCube, som først skal prøve ut 10 meter lange tråder i mars 2013

Om den finske studentsatellitten Aalto-1, som skal prøve ut 100 meter lange tråder i 2014

Designdokument for SWEST-satellitten

Fagartikkel om hvordan en asteroide kan flyttes fra en farlig bane med e-seil