Suomen johtavat avaruustutkijat olivat tiistaiaamuna koolla Aalto-yliopistossa Espoossa sekä esittelemässä suomalaisen tieteen huippusaavutusta että jättämässä sille hyvästejä.
Lasilaatikossa, peitteen alla paljastamistaan odotti Foresail-1-tiedesatelliitti, jonka matka Saksaan, sieltä Floridaan SpaceX-yhtiön kantorakettiin ja sitten noin 550 kilometrin korkeuteen Maan kiertoradalle on alkamassa keskiviikkona.
– Kuvia saa ottaa, mutta ilman salamaa, kiitos, sanoo apulaisprofessori Jaan Praks ennen kuin vetäisee peitteen pois.
Kehotuksella suojellaan satelliitin optisia sensoreita ja aurinkokennoja, joita hyvin vahvan salaman välähdys voisi ainakin teoriassa kuluttaa.
Foresail-1 on ensimmäinen kolmesta tiedesatelliitista, joilla pyritään ratkomaan maapallon lähiavaruuteen kertyvän romun aiheuttamia ongelmia.
Haaste on iso, mutta kakkos- ja kolmos-Foresailille se on vielä suurempi, sillä ne lentävät säteilyvöiden ytimiin, jossa ei toistaiseksi ole lainkaan piensatelliitteja. Jopa isot tieteelliset missiot välttävät mittauksia niiden rankoissa säteilyolosuhteissa.
Aalto-yliopisto on suomalaisten satelliittien kotipesä. Sieltä olivat lähtöisin viime vuosikymmenen lopulla maapalloa kiertäneet opiskelijasatelliitit, ja sen opeille on rakentunut suomalaisia satelliittiyrityksiä.
Foresail-1 on Aallossa suunniteltu, rakennettu ja testattu uudenlainen avoin nanosatelliittialusta. Myös satelliitin kanssa jutteleva maa-asema on Espoon Otaniemessä, Aalto-yliopiston katolla.
Foresail-1:n sisällä lentävistä hiukkasteleskoopista PATEsta ja plasmajarrusta ja niiden antaman datan analysoinnista vastaavat Suomen Akatemian kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikön kolme muuta isäntäorganisaatiota eli Helsingin ja Turun yliopistot ja Ilmatieteen laitos.
Aalto on kehittänyt avustaviksi laitteiksi MATTI-magnetometrin ja kameran. Niin pieni kuin Foresail-1 onkin, vain parin maitopurkin kokoinen, siinä on paljon muitakin hyötykuormia keskustietokoneesta antenneihin, akuista asennonsäätöjärjestelmään.
Aurinkopaneelit Foresail-1:ssa ovat kylkiä myöten, eivät pinta-alaa ja energiantuontantoa lisäävinä siipinä, koska energiantarve ei tässä missiossa ole suuri.
Kyljissä on myös heijastimia, sillä Foresail-1:n ei haluta katoavan näkyvistä siinäkään tapauksessa, että siitä lopulta tulisikin romua. Heijastimien ansiosta satelliitti näkyy Maasta tehdyissä laserkartoituksissa.
Foresail-1 on suunniteltu myös testaamaan teknologioita, jotka lentävät Foresail-2:ssa. Siksi alumiinisen suojakotelon designissa on jo käytetty useita sellaisia säteilynkestäviä elektroniikkaosia, jotka sietävät enemmän kuin Foresail-1:llä olisi tarvetta, kertoo Jaan Praks.
Elektroniikkaa ympäröi 3–4 millimetrin suojakuori. Se on ehkä hieman liioittelua, sillä matalalla kiertoradalla säteilyä ei vielä ole kovin paljon, mutta se on hyvää harjoittelua Foresail-2:ta varten, Praks sanoo.
– Säteilyvöiden ytimessä olemista voi verrata siihen, että mentäisiin keskelle fuusioreaktoria, lisää huippuyksikköä johtava Helsingin yliopiston avaruusfysiikan professori Minna Palmroth.
Foresail-1:n viisivuotiseksi kaavaillun työmatkan sijasta Foresail-2:n ei odoteta kestävän säteilypommitusta puolta vuotta pitempään.
Avaruusromun aiheuttamat törmäysuhkat eivät ole vain jossakin kaukana, vaan toteutuessaan ne voivat vaikuttaa jokseenkin jokaisen suomalaisenkin arkeen. Tutuin kosketus avaruuteen lienevät satelliittinavigaatioon perustuvat karttasovellukset, joiden ansiosta kännykkä osaa opastaa omistajaansa.
Romun raivaamiseen Foresail-1:tä ja sen kahta seuraajaa ei ole suunniteltu, mutta uuden romun syntymistä pyritään torppaamaan. Keinoja on kaksi: nykyistä pitkäikäisemmät satelliitit ja jarru, joka tuo ne elämänsä lopussa pois avaruudesta.
Avaruuden säteily koituu satelliiteille pikkuhiljaa kohtaloksi. Sisään tunkeutuvat hiukkaset vaurioittavat komponentteja ja kasvattavat niiden tehonkulutusta, kunnes energiaa ei enää riitä ja satelliitti kuolee. Säteilyhiukkasista tulee myös muistivirheitä ja sähköpurkauksia, jotka vikaannuttavat elektroniikkaa.
PATEakaan ei otettu hyllystä, vaan laite kehitettiin tehtäväänsä Turun yliopistossa varta vasten. Työ kesti nelisen vuotta.
– Lopussa kiitos seisoo. Laatikossa on nyt sellainen laite, joka mittaa elektronien poistumisen säteilyvyöhykkeistä tarkemmin kuin mikään aiempi laite, sanoo avaruusfysiikan professori Rami Vainio.
Pitkä mittausaika antaa datasta aikasarjan, josta saadaan pohjaa satelliittien aiempaa paremmalle säteilynkestävyydelle. Itse asiassa PATE on hienompi instrumentti kuin nykyisten isojen tiedesatelliittien mittalaitteet, kehaisee Palmroth.
Instrumenttirakentajan tehtävä on tuottaa PATEn mittausdatan bittivirrasta nollia ja ykkösiä, hiukkausvuon fysikaaliset parametrit, sanoo Vainio. Sitten hän heittää pallon Helsingin yliopistolle.
– Ymmärrys luodaan tiedetiimissä – eli sen ymmärtäminen, miten säteilyvyöhykkeet oikeasti käyttäytyvät missäkin tilanteessa, Vainio sanoo.
Toinen Foresail-1:ssä avaruuteen lähtevä pääinstrumentti on plasmajarru. Sen tavoitteena on hidastaa käyttöikänsä päähän tulleita satelliitteja niin, että ne painuvat pikkuhiljaa ilmakehään ja kärähtävät siellä olemattomiin.
Plasmajarru on Ilmatieteen laitoksen tutkimuspäällikön Pekka Janhusen keksintö, josta tositestiin on nyt pääsemässä kolmas, käytännössä kokonaan uusi versio.
Aluksi Janhunen sai idean aurinkopurjeeksi. Sähköisesti varattu ohut lieka vuorovaikuttaa aurinkotuulen kanssa niin, ettei aurinkokunnassa etenemiseen tarvita lainkaan ajoainetta. Plasmajarru syntyi aurinkopurjeen jatkokehittelynä.
– Plasmajarru on vähän yksinkertaisempi, kirjamellisesti maanläheisempi laite. Lieka lentää satelliitissa ja vuorovaikuttaa ionosfääriplasman kanssa. Koska satelliitti kiertää Maata ja ionosfääriplasma on paikallaan, satelliitti lentää koko ajan vastatuuleen. Sitä päin käy ajoviima, kahdeksan kilometriä sekunnissa, Janhunen selittää.
Kun Foresail-1:n tehtävä avaruudessa päättyy, lieka kelataan ulos ja sen jännite jarruttaa satelliittia. Menetelmälle on tilausta.
Vaikka satelliitti voitaisiin tuoda alas myös normaalilla rakettimoottorilla, käytännössä sitä ei useinkaan tehdä, vaan avaruusala tuntuu odottelevan halvempia menetelmiä, sanoo Janhunen.
– Plasmajarru olisi sellainen. Se myös skaalautuu aika hyvin. Maksimissaan yksi lieka jaksaisi hilata alas jopa 800 kilon satelliitin.
Kun tyypillinen satelliitti on nykyään 200-kiloinen tai pienempi, plasmajarru soveltuisi valtaosaan uusista satelliiteista.
Vaikka tällä keinoin alas tuodun satelliitin putoamispaikkaa ei voida kontrolloida, se ei satelliittien nykyisen pienuuden takia ole ongelma. Kevytrakenteinen satelliitti kärähtää ilmakehässä kokonaan, siitä ei jää mitään Maahan putoavaa.