Arkisto

Clusterit lentävät nyt lähes kylki kyljessä

29.1.2015 klo 23.50, kirjoittaja Jari Mäkinen
Kategoriat: Terveisiä kiertoradalta

Cluster on englanninkielisen nimensä mukaisesti neljän pienen satelliitin parvi, jonka Euroopan avaruusjärjestö laukaisi vuonna 2000 tutkimaan Maan magnetosfääriä.

Ne ovat siis mitanneet ja tunnustelleet liki 15 vuoden ajan Maata avaruudessa Auringon hiukkassäteilyltä suojaavaa magneettista kuplaa ja keränneet samalla paljon kiinnostavaa tietoa niin lähiavarudestamme kuin myös siitä, miten Aurinko vaikuttaa elämäämme täällä maapallolla.

Alun perin Clusterien toivottiin toimivan vain kahden vuoden ajan, mutta koska nelikko on toiminut erinomaisesti, on niiden lentoa pidennetty koko ajan. Ensin vuoteen 2005, sitten vuoteen 2009, sitten vuoteen 2012 ja nyt rahoitus on turvattu vuoden 2016 loppuun saakka. Vaikka satelliitit toimisivat hyvin, koituu kustannuksia lennonjohdosta, yhteydenpidosta sekä tieteellisten mittaustietojen keräämisestä, jakamisesta ja arkistoinnista. Mutta nämä kustannukset ovat varsin pieniä verrattuna siihen, kuinka kiinnostavia tietoja satelliiteilla saadaan.

Nyt, kun Clusterien toiminta ja käyttäytyminen tunnetaan hyvin, ja ne ovat toimineet jo hyvin pitkään, uskalletaan niillä tehdä myös temppuja, joihin ei aiemmin ole rohjettu.

Normaalisti neljä identtistä satelliittia ovat olleet hyvin soikeilla kiertoradoillaan Maan ympärillä toisistaan 600 – 20 000 kilometrin etäisyydellä toisistaan, mutta nyt tammikuussa satelliitit numero 3 ja 4 (nimiltään Samba ja Tango) ohjattiin vain kuuden kilometrin päähän toisistaan. Avaruuden mittakaavassa tämä on hyvin lähekkäin.

Tempun tarkoituksena on mitata paremmin Maan edessä olevan shokkirintaman aivan ulointa osaa, missä Auringosta virtaavien hiukkasten vuo, aurinkotuuli, alkaa hidastua ja kääntyä kohti maapalloa.

“Tieteellinen päämäärämme on saada satelliitit vain muutaman kilometrin päähän toisistaan, jotta voimme tehdä mittauksia hyvin pienessä mittakaavassa”, kertoo Detlef Sieg, Euroopan avaruusjärjestön avaruusoperaatiokeskuksessa ESOC:issa, Darmstadtissa, työskentelevä lentodynamiikka-asiantuntija.

Kun esimerkiksi toinen satelliiteista on jo rintaman ulkopuolella vapaassa aurinkotuulessa ja toinen on edelleen rintaman alueella, voidaan rintaman uloimman osan sijainti määrittää hyvin tarkasti. Tiedämme jo, että sijainti muuttuu koko ajan Auringon aktiivisuuden mukaan, mutta mittauksilla saadaan tietoa rintaman rakenteesta sekä toivottavasti myös siitä, miten rintama elää.

Satelliittien saaminen lähituntumaan vaati tarkkaa etukäteissuunnittelua ja laskemista, sekä rakettimoottorien polttoja siten, että kaksi satelliittia saatiin käytännössä samalle kiertoradalle vain hieman peräkkäin. Näin ne eivät törmää toisiinsa, vaikka ovatkin lähekkäin.

Koska satelliitit eivät ole yhteydessä toisiinsa ja koska niiden sijaintia avaruudessa ei tiedetä kuin parin sadan metrin tarkkuudella, niiden ratamuutokset täytyy tehdä huolella.

“Jokaisella kierroksellaan Maan ympärillä ne ovat kaksi kertaa vain noin kolmen sekunnin lentoajan päässä toisistaan. Juuri tuolloin ne ovat rinnakkain ja toinen satelliitti ohittaa toisen.”

Samba ja Tango saatiin ohjattua onnistuneesti turvallisen lähelle toisiaan 7. tammikuuta ja ne pysyvät näillä paikoillaan ainakin maaliskuun puoliväliin saakka. Kaksi muuta saatelliittia (Rumba ja Salsa) ovat noin 5000 kilometrin päässä ja tekevät siellä omia mittauksiaan.

“Joka kerta kun muutamme muodostelmaamme, pitää sitä suunnitella hyvin”, selittää Clusterin operaatiojohtaja Bruno Sousa.

“Se teettää työtä ja vaatii koordinaatiota niin täällä Darmstadtissa kuin myös tutkimuslaitteiden ohjauskeskuksessa Iso-Britanniassa sekä jokaisen tutkimuslaitteen tutkijaryhmässä.”

“Me myös koitamme koko ajan säästää satelliiteissa olevaa polttoainetta. Samalla varmistamme sen, että törmäyksen riski on mahdollisimman pieni, mutta tämä tulee olennaiseksi asiaksi vasta kun satelliittien välinen etäisyys on vain 1-2 kilometriä.”

Se, että kaksi satelliittia on hyvin lähellä toisiaan, tuo mukanaan myös muutoksia yhteydenpidossa.

Satelliitit ovat nyt niin lähellä toisiaan, että ne osuvat maa-aseman antennin näkökenttään samanaikaisesti. Siksi satelliittien täytyy käyttää eri aallonpituutta radioliikenteessään. Käytännössä kuitenkin vain yhteen satelliittiin ollaan yhteydessä kerrallaan.

Kuva: Detlef Sieg (vas) ja Bruno Sousa Clusterien ohjauskeskuksessa.

Ennätys, mutta ei kuitenkaan ennätys

Kaikkein lähimmillään kaksi Cluster-satelliittia olivat toisistaan vuonna 2013, jolloin etäisyys oli pienimmillään vain neljä kilometriä.

Siinä oli kuitenkin suuri ero tähän tilanteeseen, koska tuolloin välimatka oli pienimmillään hyvin soikean radan maapalloa lähimmässä osassa.

Tämän vuoksi radan säätäminen on erittäin tarkkaa, koska ratanopeus ja riskit ovat suurimpia lähellä maapalloa; mitä lähempänä satelliitit ovat ratansa kaukaisimmissa osissa, sitä lähemmäksi toisiaan ne pyrkivät lähellä ollessaan.

Nyt välimatka on pienin silloin, kun satelliitit ovat 90 000 kilometrin päässä Maasta – siis alueella, missä shokkirintama sijaitsee.

“Tämä auttaa meitä mittaamaan tarkasti alueen fysikaalisia ilmiöitä, kuten esimerkiksi sitä miten varatut hiukkaset kuumentavat rintamaa ja miten niiden nopeus kasvaa”, selittää Philippe Escoubet, Clusterien tieteellinen johtaja.

“Tätä ennen tunsimme rintaman elektronien käyttäytymisen vain noin 16 kilometrin tarkkuudella, mutta nyt pääsemme käsiksi paljon yksityiskohtaisempiin ilmiöihin.”

Kussakin satelliitissa on 11 identtistä tieteellistä mittalaitetta, jotka mittaavat muun muassa varautuneita hiukkasia sekä sähkö- ja magneettikenttää. Oulun yliopisto oli mukana EWF- ja RAPID-nimisten mittalaitteiden tekemisessä. EWF mittaa sähkökenttää ja RAPID hahmottaa suurenergisten elektronien ja ionienjakautumista kolmiulotteisesti.

Teksti on julkaistu myös Tiedetuubin ESA-blogissa.

Vastaa Peruuta vastaus

Aurinkosuoja tähtikaukoputkelle?

12.1.2015 klo 23.19, kirjoittaja Markus Hotakainen
Kategoriat: Terveisiä kiertoradalta

Syksyllä 2018 – ainakin suunnitelmien mukaan – avaruuteen laukaistavan James Webb -teleskoopin aurinkosuoja on jälleen askeleen lähempänä valmistumistaan: ensimmäinen viidestä kerroksesta on kuosissaan.

Äkkiseltään voi kuulostaa hassulta, että tähtiä tarkkaileva kaukoputki tarvitsee suojaa Auringolta. Tähtiähän tutkitaan öisin. Eikä Hubble-avaruusteleskoopissakaan ole mitään erillistä aurinkosuojaa, ellei sellaiseksi sitten lasketa koko putken sulkevaa läppää. Teleskoopin laitteita suojelee Auringon paahteelta ja vaihtelevilta lämpötiloilta monikerroksinen, kiiltäväpintainen eristemateriaali, johon koko aparaatti on kiedottu kuin jättimäinen joulukuusenkoriste.

Webb on kuitenkin monella tapaa eri juttu kuin Hubble. Siinä missä Hubble-avaruusteleskooppi kiertää Maata noin 550 kilometrin korkeudessa, ja viettää joka kierroksella puolet ajasta Maan langettamassa varjossa ja siten pimeydessä, Webb-avaruusteleskooppi on noin 1,5 miljoonan kilometrin etäisyydellä Maasta Lagrangen pisteessä, missä on käytännössä loputon päivä. Auringon ankara paahde korventaa teleskooppia ja sen laitteita kaiken aikaa.

Periaatteessa Lagrangen L2-piste on Maan langettamassa varjossa, mutta umbra (eli täysvarjo) ei ulotu niin kauas, joten sieltä katsottuna Maa peittää ainoastaan osan Auringosta. Kaiken lisäksi L2-pisteeseen sijoitettu avaruuslaite ei todellisuudessa pysyttele paikallaan vaan kiertää tuota matemaattista pistettä niin sanottua halorataa pitkin. Eli käytännössä se on jatkuvassa auringonpaisteessa.

Toisin kuin Hubble, Webb on lisäksi rakenteeltaan avoin. Se ei siis ole perinteisessä mielessä kaukoPUTKI, jos kohta maanpäällisetkin suuret peiliteleskoopit ovat jo vanhastaan ristikkorakenteisia. Ne ovat kuitenkin tähtitornien ympäröimiä ja paikoissa, missä öisin ei ole pelkoa muusta valosta kuin tähtien tuikkeesta. Lagrangen L2-pisteessä teleskooppiin kuitenkin tulvisi hajavaloa, joka pilaisi käytännössä kaikki havainnot.

Ehkä tärkein peruste auringonsuojan tarpeelle on Webb-avaruusteleskoopin tutkima aallonpituusalue. Hubble on optimoitu näkyvän valon ja ultraviolettisäteilyn aallonpituuksille – siksi pääpeilin hiontavirhettä oikovassa optiikassakin on korjauspeilejä eikä -linssejä, sillä uv-säteily imeytyisi tehokkaasti linssien lasiin.

Webbin avulla on tarkoitus tarkkailla maailmankaikkeutta ja sen moninaisia kohteita infrapuna- eli lämpösäteilyn aallonpituuksilla. Avainsana on tässä ”lämpö”. Jotta havaintoja häiritsevät tekijät saataisiin minimoitua, teleskoopin optimilämpötila on 40 kelviniä eli noin -233 celsiusastetta. Osa sen mittalaitteista jäähdytetään peräti seitsemän kelvinin eli -266 celsiusasteen lämpötilaan.

Se olisi hyvin hankalaa, jos Aurinko pääsisi paahtamaan suoraan kaukoputken lämmölle yliherkkiin osiin. Webb-teleskoopin Auringon puoleisella sivulla – eli aurinkosuojan pinnalla – lämpötila nimittäin kohoaa lähes veden kiehumispisteen lukemiin, noin 85 celsiusasteeseen eli 358 kelviniin. Jos jäähdytys hoidettaisiin kokonaan esimerkiksi nestemäisen heliumin avulla, sitä tarvittaisiin 5-10 vuoden mittaiseksi suunnitellun toiminnan aikana tonneittain. Kun se loppuisi, kaukoputki olisi käyttökelvoton.

Aurinkosuojaan kilpistyy valon lisäksi myös Auringon näkymätön vaikutus: sähköisesti varatuista hiukkasista koostuva aurinkotuuli. Viisikerroksinen, alumiinilla ja silikonilla päällystetystä Kapton-nimisestä polymeeristä tehty suoja toimii varjostimen lisäksi myös eristeenä. Suojamateriaalissa oleva johdotus toimii kuin ukkosenjohdatin ja estää elektroniikan vaurioitumisen Auringosta puhaltavan sähköisen tuulen tuiverruksessa.

Webb-avaruusteleskoopin tenniskentän kokoinen aurinkosuoja ei enää kuulostakaan yhtään hassulta eikä hassummalta kapistukselta.

(Teksti on julkaistu myös Tiedetuubin blogeissa.)