Ilmatieteen laitoksen tutkija Pekka Janhunen kehitti ja patentoi pyörivän avaruuspurjeen jo vuonna 2006. Nyt purjetta testaavat sekä Yhdysvaltain avaruusjärjestö Nasa että Euroopan avaruusjärjestö Esa omissa projekteissaan.

Avaruuspurje eli aurinkopurje kuljettaa avaruusalusta polttoaineetta. Purjeen liike syntyy aurinkotuulen avulla. Auringosta lähtee protoneja ja elektroneja, jotka kulkevat 400–750 kilometriä sekunnissa. Ne voivat siivittää myös avaruusaluksen matkaa.

Varauksiltaan samanmerkkiset hiukkaset, kuten protonit keskenään, hylkivät toisiaan. Sen sijaan erimerkkiset, kuten protonit ja elektronit, vetävät toisiaan puoleensa. Protonin massa on noin 2000-kertainen elektronin massaan verrattuna, joten vain niillä on käytännön merkitystä aurinkopurjeessa. Aurinkotuulen protonien törmäykset positiivisesti varautuneisiin alumiinilankoihin työntävät avaruusalusta eteenpäin. 

Yhden kilometrin pituisella seitinohuella, 25–50 mikrometrin paksuisella alumiinilangalla voidaan tuottaa aurinkotuulesta noin 0,5 millinewtonin voima. Voima on hyvin pieni, ja pienenkin avaruusaluksen kuljettamiseen lankaa tarvitaan tuhansia kilometrejä. Avaruudessa mikään ei kuitenkaan vastusta aluksen liikettä. Kun avaruuspurjeen lankoihin viritetään sähköjännite, aurinkotuuli työntää purjetta pienellä mutta jatkuvalla kiihtyvyydellä.

Yhden newtonin voiman tuottamiseen tarvittaisiin noin 2 000 kilometriä lankaa, mikä saadaan aikaan esimerkiksi kahdellasadalla kymmenen kilometrin pituisella langalla. Tällainen avaruuspurje painaisi noin sata kilogrammaa. Jotta langat eivät sotkeennu toisiinsa, ne pitää sijoitella sopivasti, vaikkapa kärrynpyörämäiseksi kuvioksi avaruusaluksen ympärille. Periaatteessa lanka voidaan tehdä myös jostakin muusta hyvin johtavasta metallista tai hiilikuidusta.

Tavarataksi asteroidilta alukseen

– Perinteisen avaruusmatkailun ongelmia on polttoaineen rajallisuuden lisäksi se, että kohteen vaihtaminen kesken on käytännössä mahdotonta ja reitti lähdöstä mahdolliseen paluuseen pitää suunnitella etukäteen, Ilmatieteen laitoksen tutkija Sini Merikallio sanoo.

Merikallio puhui avaruuspurjeen käyttämisestä avaruusmatkailussa Sodankylän elokuvajuhlien yhteydessä järjestetyssä ilmasto- ja avaruusmatineassa. Hänen mukaansa avaruuspurje ei suoraan ratkaise reitinmuutosongelmaa, mutta mahdollistaa polttoaineen keräämisen avaruudesta reitin vaihtamista varten. Vesijää käytännössä höyrystettäisiin irti asteroidikivestä. Avaruuden hyvin alhaisessa paineessa se vie paljon vähemmän energiaa kuin veden sulattaminen ja keittäminen maapallon pinnalla.

– Avaruuspurje voi koneistaa eräänlaisen asteroidien ja planeettojen kiertoradoilla sijaitsevien tankkauspisteiden välisen tavarataksin, jolla kuljetetaan asteroideilta vettä avaruuden huoltoasemille, Merikallio visioi.

– Auringon energian avulla asteroidivesi saadaan hajotettua vedyksi ja hapeksi, jotka puolestaan ovat nesteytettyinä kelpo polttoaineita, ”avaruusbensaa”, vaikka matkalla Marsiin, hän selittää. Maasta asti polttoainetta kannattaa rahdata mahdollisimman vähän, olipa se perinteistä fossiilista tai vaikka vettä. Jokainen ylimääräinen laukaistava kilo kun maksaa maltaita.

– Avaruuspurjeella pääsee Marsiinkin asti ja itse asiassa useimmat asteroidit sijaitsevat meistä katsoen Marsia kauempana niin sanotulla asteroidivyöhykkeellä. Ihmisten siirtelyyn kuitenkin perinteinen räjähtävä tekniikka sopii sähköpurjetta paremmin, ja silloin meille on etua siitä, että voimme sähköpurjeen avulla luoda tankkausasemia, jolloin matkan teko huokenee huomattavasti, Merikallio sanoo.

– Paluumatkan polttoainetta ei tankkausasemien ansiosta tarvitsisi viedä mennessä, ja ensimmäisen kerran voitaisiin tankata jo Maan kiertoradalla, jolloin Maasta ei tarvitsisi kuin nostaa astronautit matkatavaroineen Maan kiertoradalle. Loppu hoituisi asteroideilta haetulla polttoaineella.

Esan rahoittamassa, vuoden alusta alkaneessa kaksivuotisessa hankkeessa tutkitaan sähköpurjeen käyttöä asteroidivyöhykkeen kiertoajelu -tyyppisessä missiossa. Nasan paraikaa tekemissä kokeissa taas yritetään selvittää, miten avaruuspurjetta voisi hyödyntää Aurinkokunnan laidalle matkaamisessa.

Kiertotie voi olla nopeampi

 Jo Jupiterin kodalla ja sitä kauempana Auringosta aurinkotuuli on niin harvaa, että aurinkopurjeella ei vauhtia enää juurikaan saada kiihtymään. Vauhti pitää saada kunnolla kiihtymään lähempänä. – Jos taas Jupiterin kohdalle matkustaneella aluksella haluttaisiin palata Maahan päin, siihen voisi käyttää pientä määrää perinteistä polttoainetta. Avaruuspurjetta voisi käyttää maata kohti jarruttamiseen, Merikallio sanoo.

Merikallion mukaan italialaisen Pisan yliopiston tutkijat laskevat jo aurinkopurjeistetun lennon tehokkainta rataa Marsiin. – Yllättävää kyllä, rata kulkee todennäköisesti ensin vähän Auringon suuntaan, Merikallio kertoo. Lähempänä Aurinkoa aurinkotuuli on niin paljon voimakkaampaa, että tällä saadaan alukseen enemmän kiihtyvyyttä. Näin pidempi reitti voikin olla nopeampi kuten toisinaan silloin, kun joutuu vähän kiertämään voidakseen ajaa pätkän moottoritietä.

Yhdestä asiasta Sini Merikallio on vakuuttunut. – Jossain vaiheessa Marsiin mennään ja tehdään siitä ihmisille suotuisampi, hän sanoo. Sähköinen aurinkotuulipurje on yksi todennäköinen tekniikka, jota Punaiselle planeetalle pääsemisessä hyödynnetään.