Terveisiä kiertoradalta

Painovoimatutkija putoaa pian alas

2.10.2013 klo 18.55, kirjoittaja Jari Mäkinen
Kategoriat: Terveisiä kiertoradalta

Maapallon painovoimakenttää maaliskuusta 2009 mitannut ESAn GOCE-satelliitti on päättämässä toimintaansa avaruudessa. Se suunniteltiin toimimaan alun perin vain 20 kuukauden ajan, mikä olisi riittänyt hienosti siihen, että GOCE olisi voinut mitata erittäin tarkasti painovoimakiihtyvyyden joka puolella planeettaamme.

Koska niin satelliitti itse kuin sen mittalaitekin, niin sanottu gravimetri, toimivat moitteetta, annettiin GOCEn hyrrätä niin kauan kuin mahdollista.

Syy, miksi GOCE joutuu nyt lopettamaan toimintansa, on hyvin yksinkertainen: siltä loppuu polttoaine.

Satelliitti on kiertänyt Maata hyvin matalalla kiertoradalla, noin 225 kilometrin korkeudella, jotta sen mittaukset olisivat mahdollisimman hyviä. Tuolla korkeudella ilmakehä on jo kaukana alapuolella, mutta siellä on silti hyvin ohutta kaasua, mikä hidastaa koko ajan satelliitin kiertoratanopeutta. Jotta se pysyisi oikealla radallaan, tulee vauhtia pitää yllä pienellä rakettimoottorilla, joka puskee satelliitille lisää nopeutta saman verran kuin ilmanvastus sitä vähentää.

Jotta ilmakehän ripeiden aiheuttama ilmanvastus olisi mahdollisimman pieni, muotoiltiin GOCE myös pitkäksi, aerodynaamiseksi puikulaksi. Se näyttää lähes yliäänilentokoneelta siipimäisine aurinkopaneeleineen ja pienine peräsimineen. Rakettimoottorina GOCEssa oli erittäin polttoainetaloudellinen ionimoottori, eli sähköinen työntövoimalaite, joka kiihdyttää aurinkopaneeleista tulevalla virralla xenon-kaasua hyvin suureen nopeuteen.

Mukaan oli pakattu 40 kiloa xenonia, joka onnistuneen lennonsuunnittelun ja pihin ajotavan ansiosta on riittänyt paljon kaavailtua pitempään. Mutta nyt xenon-tankki alkaa olla siis tyhjä, ja lokakuun puolivälissä löpö loppuu. Niinpä GOCE ei enää pysty pitämään yllä tarvittavaa ratanopeutta. Se alkaa vajota radaltaan alaspäin, ja mitä alemmas se tulee, sitä voimakkaammin ilmakehä ottaa siitä otettaan, kunnes lopulta se putoaa maahan.

GOCE on noin 5,3 metriä pitkä ja metrin halkaisijaltaan oleva putkilo, mihin on kiinnitetty pitkittäin rungon suuntaan olevat aurinkopaneelit molemmin puolin. Massaa satelliitilla on hieman yli tonnin verran.

Näin pieni satelliitti tulee tuhoutumaan lähes kokonaan ilmakehän kitkakuumennuksessa, mutta on mahdollista, että muutamat kestävimmät kappaleet selviytyvät osittain tulipätsistä ja putoavat pinnalle saakka.

Näin tapahtuu arvioiden mukaan noin kolmen viikon kuluttua polttoaineen loppumisesta, eli marraskuun alkupuolella. Tarkkaa aikaa ei voi laskea, koska putoaminen riippuu monesta eri tekijästä: tärkein vaikuttava asia on yläilmakehän kaasuntiheys, joka vaihtelee esimerkiksi Auringon aktiivisuuden mukaan. Kun Aurinko on aktiivinen, ”nousee” ilmakehä korkeammalle.

GOCE kiertää maapalloa napojen kautta kulkevalla radalla, joten se voi periaatteessa syöksyä alas missäpäin tahansa Maata – myös Suomeen. Kun putoamisen ajankohtaa ei voi vielä ennustaa, ei paikkaa, missä GOCE radallaan silloin on, pysty edes arvaamaan.

Se kuitenkin tiedetään, että on erittäin epätodennäköistä, että GOCEn palanen palanen vahingoittaisi ihmisiä, eläimiä tai rakennuksia. Kaksi kolmasosaa maapallon pinnasta on meriä ja maa-alueestakin suurin osa on hyvin harvaan asuttua.

Maahan putoaa joka vuosi noin 40 tonnia ihmisten avaruuteen lähettämiä satelliitteja, laitteita tai muita kappaleita, eikä niistä ole ollut haittaa. Tämä on lisäksi hyvin vähän verrattuna planeettaamme avaruudesta törmäävien luontaisten kappaleiden massaan. On todennäköisempää saada meteoriitti päähänsä kuin joutua GOCEn palasen runtelemaksi!

Vaikka riski onkin häviävän pieni, GOCEn rataa seurataan nyt hyvin tarkasti, ja kun se alkaa vajota alaspäin, tehdään putoamispaikasta jatkuvasti tarkentuvia arvioita. Ja jos on tarpeen, niin vaara-alueelta hätistetään lentokoneet sivummalle ja pelastusviranomaiset nostavat valmiuttaan.

Maapallo on päärynä

GOCEn itsensä keräämät tiedot auttavat myös sen putoamisen arvioinnissa, sillä yli neljä vuotta kestäneen mittausrupeaman tärkein tulos on ollut maapallon erinomaisen tarkka painovoimakartta. Nyt tiedämme paremmin kuin koskaan kuinka suuri on painovoiman veto eri puolilla planeettaamme ja minkä muotoinen täsmälleen ottaen Maa on.

Yksi konkreettinen tulos on Maan ns. geoidi, eli maapallon laskennallinen pinta, missä vesi ei voi virrata paikasta toiseen, vaan pysyisi täsmälleen paikallaan. Mikäli maapallon pinnalla olisi vain vettä, yksi maailmanlaajuinen valtameri, niin se ottaisi geoidin muodon, mikäli vuorovesiä ja merivirtoja ei olisi olemassa.

Nimi GOCE tuleekin sanoista ”Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer”, ja sen keräämien tietojen perusteella voidaan esimerkiksi ymmärtää paremmin merivirtoja, meriveden korkeutta ja jäädynamiikkaa sekä havaittuja, painovoiman vaihtelusta aiheutuvia omalaatuisia vääristymiä satelliittien radoissa.

Koko GOCE-lento, siis satelliitin tekeminen, laukaisu ja operointi, ovat tulleet maksamaan noin 350 miljoonaa euroa. Tuotoksiin verrattuna se on eräs kustannustehokkaimmista tutkimuslennoista.

GOCEn tietoja hyödynnetään myös Suomessa

Geodeettisella laitoksella on sovellettu GOCEn mittaamaa aineistoa korkeusjärjestelmien perustaksi sekä eri maiden korkeusjärjestelmien liittämiseen toisiinsa. Geoidin tarkka määritys auttaa esimerkiksi GPS-mittauksista saatujen korkeuksien muuntamista.

Painovoiman mittaaminen perinteiseen tapaan maan pinnalla vie paljon aikaa, eivätkä havainnot ole kattavia. Kiertoradalta sen sijaan saadaan mittauksia tasaisesti kaikkialta, myös merialueilta, ja tulokset ovat samanlaisia.

Suomalaiset ovat olleet aktiivisesti myös GOCEn teknisellä puolella: Space Systems Finland -yhtiö on ollut päävastuussa satelliitin keskustietokoneen ohjelmistosta. Kyseessä on ikään kuin satelliitin käyttöjärjestelmä, joka pitää satelliitin halutussa asennossa, kerää instrumenttien tuottamat havaintotiedot talteen ja välittää sekä välittömät maakomennot että muistiin ennalta syötetyt ja ajastetut toimintakäskyt tietokoneelle. Ohjelmisto myös raportoi laitteiston tilasta.

Ja aivan pian se tulee myös hallitsemaan GOCEn loppua: viimeiset siitä saatavat radiopiipahdukset ovat suomalaisohjelmiston lähettämiä.

Teksti on julkaistu tänään myös Tiedetuubissa.

Avaruuslentoa luolastossa

20.9.2013 klo 10.13, kirjoittaja Jari Mäkinen
Kategoriat: Terveisiä kiertoradalta

Kuusi astronauttia on parhaillaan Sardiniassa osallistumassa varsin omalaatuiseen harjoitukseen: heidät on lähetetään nyt viikonloppuna kuudeksi päiväksi syvälle luolaan, missä he saavat tulla toimiin omillaan ja turvautua vain mukanaan viemiinsä varusteisiin. Vaikka avaruuslentäjien suunta on yleensä ylöspäin, on tämä Maan sisustaan suuntautuva matka monessa mielessä samankaltainen kuin lento avaruuteen.

Syvällä luolassa on pimeää ja kosteaa, eli äkkiseltään ajateltuna olosuhteet ovat kaikkea muuta kuin avaruudelliset, mutta kyse onkin periaatteesta: luola ei ole ihmisen luontainen ympäristö, kuten ei ole avaruuskaan, ja pitkään luolassa ollessa aistit mukautuvat samaan tapaan kuin avaruudessa. Pimeys muuttaa tapaamme hahmottaa ympäristöä, omalaatuinen tuoksumaailma muuttaa hajuaistiamme, kaikuvat äänet virittävät kuuloaistin toiselle taajuudelle.

Lisäksi vain pieni osa luolastosta on pohjaltaan mukavaa ja tasaista. Muualla liikkuminen on kuin avaruuskävelyillä: turvavaljaat varmistavat sen, että avaruuteen karkaamisen sijaan luolassa ei pudota syvään halkeamaan. Kurssin alussa kaikki tarvikkeet kuljetettiin näin perusleiriin, mistä tehdään tutkimusmatkoja luolaston eri osiin kevyemmin varustein.

Pimeässä, vain otsalampun valossa työskentely on kuin avaruuskävelyllä Maan yöpuolella. Astronautit ovat yhteydessä luolan ulkopuolelle vain muutaman kerran päivässä heikon linkin kautta, eli oikeastaan huonommin kuin nykyisin avaruusasemalta ollaan yhteydessä Maahan.

Kaikkein tärkeintä on kuitenkin ryhmätyö. Kurssilaisten pitää luottaa toisiinsa ja toimia ryhmänä. Ja kun jäsenet tulevat eri maista ja ovat kokemukseltaan eri tasoilla, on tuloksena erinomaisen kiinnostavaa kulttuurillista oppimista sekä herkkiä hetkiä, missä astronauttikonkarit kertovat nuorille, vielä avaruuslentojaan odottaville tulokkaille kokemuksiaan.

Konkareita tällä, parhaillaan meneillään olevalla kurssilla ovat ESAn italialaisastronautti Paolo Nespoli, japanilainen Satoshi Furukawa sekä NASAn Mike Barratt. Heidän kanssan luolissa möyrivät vihreät astronautit Jeremy Hansen Kanadasta, Aleksei Ovchinin Venäjältä sekä NASAn Jack Fischer.

Kaikkiaan tämä CAVES-kurssi (lyhenne tulee sanoista Cooperative Adventure for Valuing and Exercising human behaviour and performance Skills) kestää lähes kaksi viikkoa ja se alkoi tämän viikon alussa. Ensin osallistujat tutustuvat toisiinsa, mukana oleviin kouluttajiin ja tutkijoihin, sekä opettelevat tuntemaan luolastoa, missä koulutus tapahtuu, sekä laitteistoja ja materiaalia, mitä he tulevat käyttämään. Turvallisuusohjeet, luolakiipeämistekniikat ja esimerkiksi valokuvaaminen luolaympäristössä ovat myös listalla.

Olennaista on myös köysien käsittely, kuljettaminen ja kiinnittäminen, sillä luolassa kulkeminen on yleensä maan sisällä tapahtuvaa kiipeämistä. Luolasto on täynnä halkeamia, syvänteitä, vesialueita ja usein luola itsessäänkin on hyvin kalteva – ellei jopa pystysuora.

Reitin merkitseminen ja kirjaaminen ovat samoin tärkeää, sillä kaikkien kannalta on hyvin suotavaa, että avaruuslentäjäkuusikko pääsee laajasta luolaverkostosta takaisin pinnalle. GPS ei yllättäen toimi maan alla.

Nyt viikonloppuna itse seikkailu alkaa ja astronautit lähtevät yksin kuudeksi päiväksi pimeään, kylmään ja kosteaan Sa Grutta -luolaverkostoon. Yksi päivä kuluu perusleirialueelle menemiseen ja sen pystyttämiseen, ja viimeinen päivä purkamiseen ja poistumiseen. Neljänä päivänä heti aamulla ollaan yhteydessä ”lennonjohtoon”, tehdään päivän tutkimussuunnitelma ja toteutetaan se. Illalla päivän tulokset käydään läpi ja suunnitellaan seuraavaa päivää.

Kun luolanautit palaavat takaisin pinnalle, on kokemus yleensä erittäin voimakas: tuoksut, valo, värit ja äänet tuntuvat voimakkailta ja tuoreilta, aivan kuten avaruudesta takaisin Maahan palattaessa.

Idean takana on Euroopan avaruusjärjestön astronauttikeskuksen kouluttaja Loredana Bessone, jonka vastuulla on muun muassa astronauttien selviytymiskoulutus ja yhteistyötaitojen kehittäminen. ESA järjesti hänen johdollaan vuonna 2010 vastavalituille uusille astronauteilleen selviytymisleirin Sardiniassa, jolloin kiipeily ja majoittuminen saaren laajassa luolaverkostossa oli mukana koulutusohjelmassa. Ajatus luolien käyttämisestä sinällään koulutuksessa hyppäsi tuolloin askeleen eteenpäin ja ensimmäinen CAVES-kurssi pidettiin vuonna 2011.

Tänä vuonna CAVES-kurssia voi seurata myös internetissä: kouluttajat, tutkijat ja itse avaruuslentäjät kertovat kokemuksistaan mm. blogissa, ESA:n CAVES-nettisivuilla ja Twitterissä nimellä @ESA_CAVES. Kuvia on Flickrissä ja kurssin esittelyvideo on Tiedetuubin puolella.

Avaruuslinjoille hommiin?

13.9.2013 klo 09.59, kirjoittaja Jari Mäkinen
Kategoriat: Terveisiä kiertoradalta

Elämme historiallisia aikoja. En tarkoita Ursan blogien avaamista, vaikka sekin tietysti on merkittävä virstanpylväs sivilisaatiomme historiassa, vaan kyse on viime lauantaista ja Mojaven lentoasemasta.

Silloin lentokentällä pidettiin rekrytointitilaisuus, missä maailman ensimmäinen avaruuslentoyhtiö etsi itselleen työntekijöitä. Virgin Galactic -yhtiö on lähetellyt itse asissa jo jonkin aikaa ilmoituksia avoimista työpaikoista nettisivuillaan ja sosiaalisessa mediassa, mikä tarkoittaa sitä, että yhtiö alkaa toimia ihan oikeasti lähitulevaisuudessa.

Kiinnostavaa ilmoituksissa on ollut se, että ne ovat tyypillisiä lentoyhtiöiden työpaikkoja — avioniikkainsinööri, huoltoteknikko, laatutarkastaja ja niin edelleen — mutta mukana on hieman erikoisempia lentoyhtiöiden työnkuvauksia, kuten hybridiraketti-insinööri tai rakettityöntövoimatestauspäällikkö.

Onhan avaruusjärjestöissä ja niille työtä tekevissä yhtiöissä ollut jo erilaisia raketti-insinöörejä, mutta nämä ovat historiallisia työpaikkoja: avaruusturismilennot alkavat pian ja niitä tehdään samalla filosofialla kuin lentoyhtiöt toimivat tällä haavaa. Kohta avaruusaluksia huolletaan ja valmistellaan lennoilleen samaan tapaan kuin Airbusseja Helsinki-Vantaalla. Se on valtavan suuri askel eteenpäin avaruuslentojen historiassa, ja tulee varmasti muuttamaan monia asioita.

Samalla kun Virgin Galactic kerää itselleen väkeä, ensimmäinen avaruusaluksista tekee jo koelentojaan. Viime viikolla SpaceShip2 -aluksista ensimmäinen, VSS Enterprise, teki todennäköisesti viimeisen koelentonsa ennen ensimmäistä lentoaan avaruuteen. Alus irtaantui emoaluksen alta omille teilleen, sytytti rakettimoottorinsa ja kiihdytti noin 1,6 -kertaiseen äänen nopeuteen, jolloin se käänsi taittuvan pyrstönsä asentoon, missä se tulee olemaan aikanaan Maahan takaisin palattaessa. Tämän jälkeen alus palautti pyrstön normaaliasentoonsa ja liitolensi takaisin lentoasemalle.

Ensimmäinen avaruuspomppauksen jälkeen alus tullee tekemään kymmeniä samanlaisia lentoja yli 100 kilometrin korkeuteen, ennen kuin se otetaan matkustajaliikenteeseen. Aivan ensimmäisellä matkustajalennolla on nähtävästi Virgin-yhtiöryppään perustaja ja johtaja Richard Branson perheineen.

Enterprisen sisaralus VSS Voyager on myös valmistumassa ja yhtiö aloittaa ensi vuonna lennot myös varta vasten New Mexicoon rakentamastaan avaruuslentokeskuksesta. Elokuussa noin 640 henkilöä oli jo ostanut noin 200 000 euroa maksaneen lennon, ja erittäin todennäköisesti lentojen alettua kiinnostuneiden määrä tulee lisääntymään. Ja mukana on myös muutama suomalainenkin (joita tosin en kutsuisi astronauteiksi yhtään sen enempää kuin lentomatkustajia sanotaan lentäjiksi).

Vaikka kyseessä ovatkin ”vain” pomppaukset noin 120 kilometrin korkeuteen ja 2,5 tuntia kestävien lentojen aikana koetaan ”ainoastaan” kuuden minuutin ajan painottomuutta, nousevat alukset kunnolla avaruuteen. Siellä tunnelma ja maisema aluksen ympärillä ovat aivan kuin avaruudessa.

Avaruusalusten tekeminen on ollut tietysti helppoa verrattuna siihen byrokratiaan, mitä lentojen aloittamiseen vaadittavan uuden lainsäädännön tekeminen on vaatinut. Sekin on jotain aivan uutta: lentomatkustajien oikeudet, lentoyhtiöiden velvollisuudet ja lentokoneiden vaatimukset on hyvin määritelty, mutta avaruusturistilennoille vastaavia ei ole ollut olemassa. Koska lentoja ollaan aloittamassa ensinnä vain Yhdysvalloissa, on sikäläinen ilmailuvirantomainen FAA ollut tässä olennaisessa roolissa (ja todennäköisesti muut maat tulevat aikanaan vain kopioimaan amerikkalaissäädökset).

Ottaen huomioon kuinka suurella joukolla ja pitkään asiaa vatvottiin, on tulos hyvin yksinkertainen. Alusten pitää täyttää normaalit matkustajien kuljettamiseen käytettävien lentokoneiden vaatimukset ja niiden valmistajan pitää varmistaa, että alus kestää myös avaruudessa. Lentäjillä pitää olla normaali kyseisenlaisen ilma-aluksen kuljettamiseen vaadittava lupa ja heidän täytyy hallita alus myös lentotilanteissa, jotka eivät ole perinteisiä.

Matkustajilta ei vaadita lääkärintarkastuksia, koska FAA on kiinnostunut lähinnä siitä, että lennot eivät vaaranna ”yleistä turvallisuutta”. Tarkastusta suositellaan ja todennäköisesti Virgin Galactic tuleesellaisen pyytämään, koska lentojen maineen kannalta ei olisi hyvä, jos joku ensimmäisistä matkustajista saisi esimerkiksi sydänkohtauksen ja kuolisi.

Matkustajille pitää selittää aluksen lentohistoria, niille tapahtuneet mahdolliset onnettomuudet ja heidät tulee opastaa toimimaan mahdollisissa vaaratilanteissa. Ja sen jälkeen, ennen lentoa, heidän tulee allekirjoittaa paperi, missä he vakuuttavat lähtevänsä lennolle omalla vastuullaan.

Nähtävästi siis ensimmäiset allekirjoitukset tehdään ensi vuoden alussa. Ja uskon, että siitä tulee varsin merkittävä päivä, koska se aloittaa toiminnan, joka tulee hyvinkin nopeasti tekemään myös lennot kiertoradalle, kunnolla avaruuteen, arkisiksi nopeammin kuin nyt uskommekaan. Aika on kypsä uudelle harppaukselle avaruuden valloituksessa.