Miksi Jupiteriin lentävä Juice-luotain tuli takaisin Maan luokse ja lähti kohti Venusta?
Viime yönä, juuri jälkeen puolenyön, planeettainvälinen tunkeutuja suhahti hyvin läheltä maapalloa. Se oli lähimmillään klo 00:56 Suomen aikaa vain 6840 kilometrin päässä Maasta.
Tuo tunkeutuja oli Euroopan avaruusjärjestön Juice-luotain, joka koukkasi kotiplaneettansa läheltä pitkällä matkallaan kohti jättiläisplaneetta Jupiteria.
Monet ovat ihmetelleet sitä, miksi Jupiteriin matkaava luotain paitsi tuli maapallon luokse, niin myös sitä, että tästä luotain suuntaa kohti Venusta. Miksi ihmeessä Jupiteriin menevä luontain on matkalla Venukseen?
Syynä on temppu nimeltä painovoimalinkous, eli gravitaatiolinkous. Kun pieni kappale (kuten planeettaluotain) ohjataan lentämään juuri sopivalla radalla läheltä isoa taivaankappaletta (kuten Maa tai Venus), niin isomman kappaleen painovoima sysää luotainta suurempaan nopeuteen ja kääntää sen lentorataa.
Tämä vaatii luonnollisesti tarkkaa laskemista ja radanmääritystä, jotta vauhtia saadaan lisää ja ratamuutos on juuri haluttu. Kiihdyttämisen sijaan temppua voidaan käyttää myös hidastamiseen: esimerkiksi sisemmäksi aurinkokunnassa lentävät Solar Orbiter ja BepiColombo käyttävät painovoimalinkouksia liike-energiansa vähentämiseen.
Lähes kaikki planeettaluotaimet käyttävät tätä menetelmää nykyisin, koska siten luotain voi olla suurempi ja painavampi kuin se voisi olla tapauksessa, jossa se laukaistiin suoralla lentoradalla kohti määränpäätään. Luotaimeen voidaan siten laittaa enemmän tai parempia tutkimuslaitteita, sekä lisää polttoainetta, jonka avulla luotain voi tehdä tutkimuksiaan pitemmän aikaa.
Haittapuolena on lentoajan piteneminen. Esimerkiksi Juice tekee sisemmässä aurinkokunnassa kuusi vuotta kestävän tourneen ennen kuin sillä on lopulta tarpeeksi vauhtia lähetäkseen kohti Jupiteria.
Juice laukaistiin matkaan viime vuoden huhtikuussa ja se teki tämän ensimmäisen ohilentonsa nyt 19.-20. elokuuta tänä vuonna. Kyseessä oli itse asiassa kaksi linkoamista, mutta palaan tähän myöhemmin.
Seuraava vauhdinlisäämisohilento tapahtuu ensi vuoden elokuussa, kun Juice varastaa hieman energiaa Venukselta. Sitä seuraa sitten kaksi Maan ohilentoa syyskuussa 2026 ja tammikuussa 2029. Perille Jupiteriin luotain saapuu heinäkuussa 2031 ja viettää siellä ainakin neljä vuotta jättiläisplaneettaa ja sen kuita tutkimassa.
Myös Jupiteria kiertäessään Juicen lennonjohtajat turvautuvat painovoimalinkoamisiin. Silloin taivaallista biljardia pelataan Jupiterin kuilla, joiden vetovoimaa käytetään lähinnä radan muuttamiseen, ei niinkään nopeuden lisäämiseen. Kun ratamuutoksia tehdään painovoimalinkoamisilla rakettimoottorien käytön sijaan, säästetään polttoainetta.
Ellei mitään yllättävää tapahdu, pystyneekin Juice jatkamaan tutkimuksiaan vielä vuosia suunnitellun neljän vuoden jälkeen.
Miten painovoimalinkous tehdään?
Idea painovoimalinkoamisesta on jo satakunta vuotta vanha. Ensinnä sellaista hahmotteli venäläinen Juri Kondratjuk vuonna 1918, mutta idea julkaistiin vasta vuonna 1938 – tai oikeastaan vasta 60-luvulla, kun alun perin julkaisematta jäänyt osa käsikirjoitusta tuli päivänvaloon.
Niinpä ensimmäisenä ajatuksen pääsi esittämään julkisesti latvialainen (mutta Venäjällä ja sitten Neuvostoliitossa asunut) Friedrich Zander vuonna 1925 ilmestyneessä artikkelissaan.
Käytännössä asiaa päästiin testaamaan varsin pian avaruusajan alettua. Neuvostoliiton Luna 3 onnistui kuvaamaan Kuun etäpuolen ensimmäisenä, kiitos lentoradan, jota lentämällä Kuu käänsi vetovoimallaan luotaimen rataa sopivasti takapuolelle. Vuosi oli 1959.
Planeettalennoilla ensimmäisen kerran temppua käytti Nasan Mariner 10. Vuonna 1972 laukaistu luotain käytti Venuksen painovoimaa hyväkseen päästäkseen Merkuriusta tutkimaan.
Samana vuonna laukaistu Pioneer 10 suuntasi puolestaan Jupiteriin. Matkalla sinne ei painovoimalinkousta tarvittu, mutta Jupiterin ohi lentäessään ja sitä tutkiessaan luotain sai niin paljon lisää vauhtia, että Pioneer 10:stä tuli ensimmäinen ihmisen tekemä laite, joka lensi niin nopeasti, että se pystyi poistumaan aurinkokunnasta.
Yhteys Pioneer 10 -luotaimeen menetettiin vasta vuonna 2003, jolloin se oli jo 12 miljardin kilometrin päässä meistä.
Pioneer 10 -luotainta vuonna 1973 seuranneen Pioneer 11:n lentorata puolestaan säädettiin siten, että Jupiterin ohilennon jälkeen se pääsi tutkimaan myös Saturnusta.
Tuolloin oli jo suunnitteilla myös hurjempi lento, jolla planeettojen ohilentojen avulla päästäisiin tutkimaan lähes kaikki ulkoplaneetat lähiohituksilla. Vuonna 1961 Nasan Jet Propulsion Laboratoryssä työskennellyt Michael Minovitch äkkäsi, että Jupiter, Saturnus, Uranus ja Neptunus olivat juuri sopivasti sellaisissa kohdissa ratojaan, että näppärästi tehdyllä lentoradalla luotain voisi käydä tutkimassa niitä kaikkia.
Idea sai nimen Suuri Planeettakierros, Planetary Grand Tour, ja JPL:n toisen tutkijan Gary Flandron vetämä ryhmä laski vuonna 1964 lentoradat luotaimille, jotka myöhemmin tunnettiin nimillä Voyager 1 ja 2.
Tähän mennessä kaikkein hurjin painovoimalinkous tapahtui vuonna 1992 kun eurooppalainen Ulysses-aurinkoluotain käytti Jupiteria päästäkseen Auringon napa-alueiden yli lentävälle radalle. Pääsy planeettojen ratatasosta pois vaatii paljon energiaa, jota Jupiterin ohitus antoi.
Nyt lähes kaikki planeettaluotaimet käyttävät painovoimalinkousta – siitä on tullut rutiinia.
Juicen ohilento
Tämä nyt juuri tapahtunut Juice-luotaimen ohilento on historiallinen siksi, että kyseessä on kaksoisohilento: ensin painovoimalinkousmanöveeri tehtiin Kuun avulla ja sitten Maan avulla. Lentoradan suunnittelu ja luotaimen ohjaaminen oli haastava temppu, mutta ESAn Saksassa, Darmstadtissa olevassa avaruusoperaatiokeskuksessa ESOC:issa ollaan jo hyvin rutinoituneita vaikeisiin lentoihin.
Kokemusta on saatu etenkin komeettaa tutkineen Rosetta-luotaimen avulla. Matka Churyumov-Gerasimenko -komeetalle ja etenkin lentely erilaisilla kiertoradoilla sen luona ovat edelleen monimutkaisin avaruusluotaimella tehty operaatio. Tanssi painovoimakenttien kanssa oli olennainen osa sitä.
Tämä Juicen ohilento alkoi hälytyksellä: vaarallisella radalla olevia asteroideja ja komeettoja etsivät järjestelmät havaitsivat elokuun alussa omituisen, maapalloa kohti kiitävän kohteen ja antoivat varoituksen.
Niiden mukaan kohti Maata oli tulossa 50 metriä halkaisijaltaan oleva asteroidi, joka ei osuisi, mutta menisi ohi todella läheltä.
Hyvin pian luonnollisesti ymmärrettiin, että kyseessä oli Juice. Juice ei ole aivan 50-metrinen, mutta koska arvio koosta tehdään kohteen kirkkauden perusteella ja avaruusaluksen suuret, 27 metriä kärkiväliltään olevat aurinkopaneelit heijastavat hyvin valoa, näytti Juice kokoaan suuremmalta.
Juicen Kuun ohilento tapahtui elokuun 19. ja 20. päivien välisenä yönä, ja lähimpänä Kuuta luotain oli klo 00:15 Suomen aikaa tiistaina 20.8.
Maan ohilento tapahtui noin vuorokausi myöhemmin, siis viime yönä. Lähimpänä Maata Juice oli 00:56 Suomen aikaa 20.8., jolloin se kiisi 6840 kilometrin korkeudessa Aasian kaakkoisosien ja Tyynen valtameren päällä.
Kuvien ottamisen lisäksi Juice teki ohilentojen aikaan havaintoja tutkimuslaitteilla. Kymmenestä kyydissä olevasta instrumentista kahdeksan oli nyt toiminnassa. Niiden tietoja lähetetään pian Maahan ja käytetään pääasiassa mittalaitteiden kalibrointiin.
Juicen lennonjohdon päällikkö Ignacio Tanco totesi ESAn tiedotteessa, että kaikki sujui hyvin. ”Meillä ei ollut pienintäkään vikaa.”
Normaalisti pitkän lennon aikana luotaimeen ei olla jatkuvassa yhteydessä, mutta nyt ohilennon aikaan luotain oli koko ajan lennonjohdon komennossa. Lentorata oli hienosäädetty oikeaksi jo ennen lähiohituksia, joten varsinaisen toiminnan aikaan ohjaimissa oli Newton luonnonlakeineen. Lennonjohdon tehtäväksi jäi kääntää luotainta sopivaan asentoon riippuen siitä, mitä haluttiin kuvata, mistä tehdä mittauksia, mihin aurinkopaneelien haluttiin osoittavan ja niin edelleen.
Luotaimen jatkuva ohjaaminen alkoi 17. elokuuta ja jatkuu huomiseen (22.8.). Tancon mukaan painovoimalinkouksella säästettiin jopa 150 kiloa polttoainetta.
Kuun ohilento antoi Juicelle 0,9 km/s lisää vauhtia (suhteessa Aurinkoon) ja käänsi lentorataa kohti maapalloa. Maa puolestaan sysäsi luotainta niin, että se sai 4,8 km/s lisää nopeutta (taas suhteessa Aurinkoon) ja sen lentorata kääntyi peräti 100° verrattuna suuntaan ennen ohitusta.
Nyt Juice lentää sisemmäksi aurinkokunnassa ja tekee Venuksen ohilennon noin vuoden kuluttua. Venus kääntää radan jälleen kohti maapalloa.
ESA lupaa tietoja Juicen mittalaitteista ja lisää kuvia lähiviikkojen aikana. Niitä odotellessa suosittelen katsomaan vaikkapa tätä vanhaa videota Juice-luotaimesta: