Teavad vist ju kõik, et kosmoselendude juures on suur häda see, et kui alguses ei saa vedama, siis pärast on ka pidama saamisega sama suur probleem. Ehk, et end maalt lahti rebida, on vaja tohutult suurt kütusekogust. Seda on vaja ka kosmosesse jõudes kiirendamiseks, ning teises otsas pidurdamiseks. Nii suur kogus kütust aga kaalub väga palju, ja on muidu suhteliselt ohtlik. Mida siis teha? Tuleb välja et alternatiivseid liikumisvõimalusi kosmoses on päris mitu, milledega ka Eestis tegeletud on.
Meie oma EstCube ehk päikesepurjed
Päikesesüsteemi üks suurimaid energiaallikaid on meie oma päike. Valgustab ta ju kõiki planeete ning soojendab ka neid üksjagu. Miks ei peaks ta suutma üht tühist kosmoselaeva siis liigutada? Selgub et saabki.
Andris Slavinskis, kes on Tartu observatooriumis kosmosetehnoloogia osakonna juhataja ning EstCube2 meeskonna nõunik räägib, et olemas on tegelikult kahte tüüpi päikesepurjesid. Ühed ehk footonpurjed, mida lükkab meile nähtav valgus ja teised, ehk elektrilised purjed, mida lükkab päikesetuul – need samad virmalised, mida külmadel talveöödel taevas näha võib.
"Footonpurje põhimõte on väga lihtne," räägib Slavinskis. "See on sisuliselt suur peegel, mis peegeldab päikeselt tulevat valgust. Need peavad olema nii õhukesed kui võimalik."
Tema sõnul kavatsetakse säärast tehnoloogiat kasutada nanolaevadel, mis saadetakse kunagi meile lähematele tähtedele. "Nemad kasutavad purjesid, mis peegeldavad laserivalgust, aga see on väga tulevik, sellist tehnoloogiat veel ei eksisteeri." Footonpurjede probleemiks osutub ka tõsiasi, et mida suurem purjepind on, seda rohkem valgust ta peegeldab ja seda efektiivsem ta on. Samas suurendab see ka tõenäosust, et miski, näiteks tolmutera suurune meteoor põrutab imeõhukesest purjest läbi, lõhkudes selle täielikult.
Teist tüüpi, elektriline päikesepuri on puri, mille kallal töötab ka EstCube2 meeskond koostöös Soome Meteoroloogia Instituudiga. Neid purjesid nimetatakse kahte moodi – planeetide vahelises, ehk interplanetaarses kosmoses kutsutakse neid elektrilisteks purjedeks. Muutes aga purje nurka on võimalik neid kasutada ka pidurdamiseks orbiidilt lahkumiseks ja atmosfääri sisenemiseks, mistõttu hetkel kutsutakse purje plasmapiduriks.
Elektriline puri koosneb traadist, millele on antud laeng. Traat on taaskord nii õhuke, kui võimalik. "Laengut traadile andes loome me selle ümber elektrivälja. Täpselt sama moodi nagu maakera ümber on magnetväli, on selle traadi ümber elektriväli," räägib Slavinskis. "Elektriväli hakkabki tööle sünteetilise purjena. Seda pole näha, aga see on olemas. Ja seepärast see ei kaalu ka mitte midagi." Kui elektriväli paigutada päikesetuulde, mis on pidev, päikeselt lähtuv laetud osakeste voog, tõukavad laetud osakesed elektripurje, mis omakorda annab hoogu kosmoselaevale.
Säärast süsteemi püüdis testida juba EstCube1, kuid test kahjuks ebaõnnestus. Satelliidi pardal oli üks lühike traat, kuid see ei avanenud, tõenäoliselt pooli, millele traat keritud oli, pöörlemistõrke tõttu või pooli lukustussüsteemi vea tõttu. Samasugune traat on ka Aalto1, soomlaste satelliidil, mis saadetakse orbiidile järgmisel aastal. EstCube2 plaanib kanda 300 meetri pikkust traati, mida püütakse kasutada satelliidi orbiidilt lahkumiseks ning atmosfääri sisenemiseks. Et testida planeetide vahelises ruumis liikumist on lihtsaim lahendus minna Kuule. See võib juhtuda EstCube3 projekti ajal.
Inimeste lennutamiseks Marsile see tehnoloogia Slavinskise sõnul siiski ei sobi. "See oleks liiga keeruline, kuna kosmoselaev oleks liiga raske. Elektrilisi purjesid saaks kasutada assisteerivate lendude jaoks. Inimeste Marsile viimise juures oleks neist abi viies kaupa Maalt Marsile, teine võimalus oleks tuua vettasteroididelt Maale või Marsile, samuti saaks võimalikuks päikesepurjede abil võimalik transportida asteroididel kaevandamise tööriistu, mida veel leiutatud pole. See töötaks lihtsalt logistilise transpordisüsteemina," räägib ta.
Hall-i kiirendi kulutab sada miljonit korda vähem kütust
Elektronidega ei tule pistmist teha ainult päikesepurjedel. Satelliidid on kasutanud juba pikka aega mootorit, mis saab kiirenduse plasmalt, mis liigub kiirusega 72,420 kilomeetrit tunnis. Säärane mootor kasutab sada miljonit korda vähem kütust, kui täna kasutatavad raketid. Satelliidid kasutavad sääraseid mootoreid oma orbiidi korrigeerimiseks, kuid teadlased soovivad neid kasutada ka kosmoselaevadel, mis sõidavad planeetide vahel. Probleem on aga selles, et Hall-i kiirendi tööaeg on kõigest 10000 tundi, kui enamikeks kosmoselendudeks on vaja vähemalt 50000 tunnise tööajaga mootorit.
Kiirendi töötab väga lihtsasti. Laetud ioonide voog suunatakse ühelt anoodilt (positiivselt laetud elektroodist) katoodile (negatiivselt laetud elektroodile), kus ioonid neutraliseeritakse elektronide voo abil. See saadab elektronid ühele poole, ja mootori küljes oleva raketi teisele poole. Hall-i kiirendis ei ole aga füüsilist katoodi. Selles mootoris kombineeritakse hoopis magnetvälja ja eraldi kambrisse kinni pandud laetud elektronide pilve, et tekitada täielikult tühi õõnes virtuaalne katood. Väike kogus gaasi, tavaliselt ksenooni, sisestatakse mootorisse, et luua ioonide voog. Kuna aga ioonid on liiga rasked, et virtuaalse katoodi magnetvälja kinni jääda, lähevad nad sealt läbi, et saada elektronide pilves neutraliseeritud. See tekitab aga plasmalaengu vabanemise, mis siis raketti edasi lükkab.
Probleemiks ongi aga kogu seda kremplit sisaldav kamber, mille seinu pommitatakse pidevalt laetud ioonidegaja mis selle tõttu lõpuks purunevad. Seetõttu tuleks mootor iga natukese aja tagant tehasesse remonti, ja kambrivahetusse viia. Teadlased Prantsusmaa riiklikust teadusuuringute keskusest otsustasid kogu kambri seina üldse ära võtta.
Kuna see mootor kasutab tohututes kogustes vähem kütust, on võimalik kaasa võtta selle võrra rohkem kaupa või inimesi.
Elektromagnetmootor eirab füüsikaseadusi, teadlased on segaduses
Ulmeraamatutes ja filmides on päris tihti kasutatud EM sõidukeid, hõljukeid, rattaid, kosmoselaevu ja midakõike veel. Paistab, et tulevik hakkab kätte jõudma, kuna NASA teadlased on just säärast tehnoloogiat laborites uurinud pikka aega. Inglise leiutaja Roger Shawyer pakkus idee välja 1999 aastal. Selle asemel, et kaasas tassida suurt kogust rasket raketikütust, tuleks luua koonuse kujuline kamber, milles põrgatada mikrolaineid.
Shawyeri arvutuste kohaselt võiks säärane mootor saata kosmoselaeva Maalt Marsile kõigest 70 päevaga. Kogu süsteemiga on aga suur probleem – see eirab täielikult Newtoni kolmandat seadust selle kohta, et igal liikumisel peab olema võrdne vastupidine reaktsioon. Kiirenduse loomiseks on vaja midagi täpselt sama kiiresti vastassuunas lükata.
Elektromagnetmootor seda ei tee. Aga testides ta töötab. Nasa teadlased on mootori tööpõhimõtteid põhjalikult uurinud ja selgitanud välja, et elektromagnetmootor, ehk EM mootor annab kiirendust 1,2 millinewtonit kilovati kohta. Võrdluseks, eelmainitud päikesepuri annab seda ainult 6,67 millinewtonit kilovati kohta. Aga Hall-i kiirendi annab lausa 60 millinewtonit, kuid vajab töötamiseks kütust. NASA meeskond on öelnud ka, et nad ei püüdnudki mootori võimsust suurendada vaid teha kindlaks, kas ja kuidas see üldse töötab. On tõenäoline, et EM mootor saab palju võimsamaks.
Teadlased pole veel päris kindlad, kuidas säärane mootor töötab. Ka see, et ta päriselt töötab on veidi kahtluse all, kuid see peaks selguma lähikuudel, kui kosmosesse saadetakse esimene EM mootor. Kui see seal iseseisvalt liigub, oleme loonud lahenduse, mille tööpõhimõte on küll hägune, kuid töökindlus vägagi selge.
Avafoto: NASA
