Plasmajarrun uusi sovellus mahdollistaa uudenlaiset kiertoradat piensatelliiteille

FORESAIL-huippuyksikön Pekka Janhusen keksintö plasmajarru on teknologia, jolla satelliitin voi palauttaa ilmakehään tehtävän päätyttyä, jotta se ei jää kiertorataromuksi. Nyt huippuyksikössä aiotaan soveltaa plasmajarrua uudella tavalla, nimittäin ohjaamaan satelliittia kulkeutumaan radallaan, jolloin rata kattaa suuremman osan arktisesta yläilmakehästä. Menetelmä on täysin uusi, ja onnistuessaan se mullistaisi piensatelliittien ratamanipulaation.

Plasmajarru on ohut sähköisesti varattu lieka, joka vuorovaikuttaa yläilmakehän plasman kanssa niin, että satelliitti pikkuhiljaa jarruuntuu ja putoaa alemmalle kiertoradalle. Fysikaalisesti ilmiöstä käytetään nimeä Coulombin kitkavaikutus. Siinä jännitteellistä liekaa ympäröivä sähkökenttä ulottuu suhteellisen laajalle alueelle liean ympärillä ja sirottaa siihen osuvia plasmavirtauksen ioneja. Plasmavirtaus johtuu satelliitin rataliikkeestä osittain ionisoituneen yläilmakehän läpi.

Plasmajarru on vuonna 2006 keksityn sähköpurjeen muunnelma. Sähköpurje käyttää työntövoiman lähteenään aurinkotuulta. Aurinkotuuli on Auringosta lähtevä nopea plasmavirtaus, josta suurin osa lähiavaruuden plasmailmiöistä kuten revontulista johtuu. Aurinkotuuli on olemassa kaikkialla Maan magneettikehän ulkopuolella. Tavalliset satelliitit kiertävät Maata magneettikehän sisällä, joten niiden ratojen muuttamiseen sähköpurje ei sovellu. Magneettikehän sisällä, erityisesti yläilmakehässä voidaan ottaa käyttöön plasmajarru, jolla ratakorkeutta voi madaltaa vaikkakaan ei nostaa.

Aurinkosynkroniset radat

Ellei mikään sitä häiritse, satelliitin ratataso pysyy kiintotähtien suhteen paikallaan. Tämä johtuu pyörimismäärän säilymislaista. Kuitenkin satelliittiin vaikuttaa erilaisia häiriövoimia, joista yksi johtuu siitä että Maa ei ole pallo, vaan hieman navoilta litistynyt ellipsoidi. Litistymisestä johtuva häiriövoima aiheuttaa satelliitin radan kiertymistä ja kulkeutumista. Kiertymisen nopeus riippuu ratakorkeudesta ja ratatason kaltevuuskulmasta eli inklinaatiosta.

Eri ratakorkeuksilla on olemassa jokin kaltevuuskulman arvo, jolla satelliitti kulkeutuu täyden ympyrän vuodessa. Tällöin Aurinkoa kiertävästä liikkeestä johtuva radan kiertyminen kumoutuu, ja satelliitin rata pysyy Maan valaistusvyöhykkeisiin nähden paikoillaan, esimerkiksi jatkuvasti kiertäen keskipäivän ja keskiyön pituuspiirillä. Tällaista rataa kutsutaan aurinkosynkroniseksi. Aurinkosynkroniset radat kulkevat enemmän tai vähemmän napojen kautta eli ratojen inklinaatiokulma on lähellä 90 astetta.

Monet satelliitit käyttävät aurinkosynkronista rataa, joten sinne on paljon liikennettä. Koska piensatelliitit laukaistaan isompien satelliittien oheishyötykuormina, myös piensatelliitit pääsevät tai joutuvat näille aurinkosynkronisille radoille. FORESAIL-1 -satelliittimme kannalta kyse on joutumisesta, koska tutkimusohjelmamme kannalta olisi parasta skannata eri paikallisaikasektoreita, ennemmin kuin pysyä koko ajan yhdellä ja samalla.

Aurinkosynkroninen kiertorata_1

Aurinkosynkroninen kiertorata. Lähde: Wikipedia.

Plasmajarrulla kulkeutuvalle radalle

Plasmajarru on siis keksintö, jolla ratakorkeutta voidaan muuttaa käyttämättä polttoainetta. Se tarjoaa huippuyksiköllemme aivan uuden mahdollisuuden. Plasmajarrulla voidaan luoda uusi häiriövoima, jolla satelliitin rata madaltuu, lähtee kulkeutumaan ja siten kattamaan useita paikallisaikasektoreita.

Suunnitelmamme on madaltaa plasmajarrulla FORESAIL-1 -satelliitin ratakorkeutta heti mission alussa. Madaltamisen jälkeen rata ei enää ole aurinkosynkroninen, vaan se lähtee kiertymään. Tällöin voimme mitata muuallakin kuin vain yhdellä paikallisaikasektorilla. Myös plasmajarrututkijat ovat mielissään, koska plasmajarrun käyttökokemukset ja suorituskykymittaukset saadaan heti lennon alussa ilman ylimääräistä odottelua.

Menetelmä voi mullistaa piensatelliittien ohjaamisen

Piensatelliitteihin ei yleensä saa laittaa mukaan ajoainetta. Perinteisesti tämä tarkoittaa sitä, että piensatelliitteja ei voi enää ohjata sen jälkeen, kun ne ollaan saatu radalleen kiertämään. Uutta ideaamme voi periaatteessa soveltaa mihin tahansa piensatelliittiin, kun halutaan liikkua paikallisaikasektorilta toiselle. Menetelmä on edullinen ja kestävän avaruuden hyötykäytön ytimessä, koska ajoainetta ei tarvita.

Plasmajarrun pääsovellus tulee varmasti jatkossakin olemaan kiertorataromun synnyn estäminen, sehän on yksi avaruustekniikan tärkeimmistä ongelmista. Plasmajarrun mahdollistama radan kiertyminen voi silti olla tulevaisuuden kannalta erittäin hyödyllinen keksintö, jolla on markkinoita myös kansainvälisillä areenoilla.