ExoMars on Euroopan avaruusjärjestön kunnianhimoinen hanke, missä Venäjän avaruushallinto on mukana mm. siten, että venäläiset tarjoavat hankkeen kahdelle luotaimelle kyydit avaruuteen.

Ensimmäisenä on vuorossa tänään laukaistava TGO-nimisen luotaimen ja Schiaparelli-laskeutujan paketti, jota kutsutaan mielikuvituksellisesti nimellä ExoMars 2016, ja sitten kahden vuoden päästä lähtee matkaan kunnianhimoinen kulkija, joka viedään rullaamaan ja tekemään tutkimuksiaan Marsin pinnalle. Sitä kutsutaan virallisesti yhtä jännällä nimellä ExoMars 2018.

Alkuperäinen ExoMars oli tämä kulkija, mutta vuosikymmenen kuluessa hanke on muuttunut kovasti – mutta päätavoite on pysynyt samana. Se on elämän merkkien etsiminen Marsista ja siitä tulee myös nimi ExoMars, eli "eksobiologiaa Marsissa".

Tänään laukaistava lasti ei ole sen vähempää kuin massiivisin koskaan Marsiin lähtevä kuorma: kaksikon massa punaisen planeetan luokse saavuttaessa on yhteensä noin 4300 kg.

TGO jää kiertämään Marsia ja tutkii mm. sen kaasukehän hivenkaasuja. Nämä ovat kaasuja, joita on hyvin vähän, mutta joilla on suuri merkitys – eräs kiinnostavimmista on metaani, joka voi olla merkki myös elämästä Marsissa. Toinen vaihtoehto on tulivuoritoiminta. TGO pystynee ellei nyt ratkaisemaan Marsista havaitun metaanin arvoituksen niin ainakin tuomaan siihen lisää tietoja.

Schiaparelli puolestaan testaa toisella lennolla tarvittavia tekniikoita Marsiin laskeutumisessa. Alun perin laskeutujan tehtävä oli vain laskeutua, mutta sen akkujen virta riittää todennäköisesti muutaman päivän ajaksi, joten se tulee toivottavasti ja todennäköisesti tekemään pinnalla havaintoja vähän aikaa.

Laskeutujassa on mukana myös Ilmatieteen laitoksen toimittamia laitteita, jotka mittaavat Marsin kaasukehän painetta ja kosteutta. Laitteet ovat osana Schiaparellin DREAMS-nimistä säähavaintopakettia. 

Otsikkokuvassa ovat kummatkin suomalaislaitteet: vasemmalla painemittari ja oikealla kosteusmittari.

Kummatkin perustuvat Vaisalan anturitekniikkaan, joita Ilmatieteen laitoksella on muokattu ja niihin on liitetty tarvittava elektroniikka. Aiemmin samantyyppisiä laitteita on toimitettu mm. NASAn Curiosity-marskulkijaan (2012-) ja Mars Phoenix -laskeutujaan (2008), sekä Saturnuksen Titan-kuuhun vuonna 2005 laskeutuneeseen ESAn Huygens-luotaimeen. Suomalaiset ovat osallistuneet myös laitteista saatujen tietojen käsittelyyn ja analysointiin.

Signaali luotaimesta saadaan vasta illalla

Kun toivottavasti laukaisu tänään puolelta päivin sujuu hyvin, aloittaa aluskaksikko pitkän matkansa automaattisesti kohti Marsia. Ensimmäinen signaali siitä ja sen toiminnasta saadaan vasta noin 11 tunnin kulutta laukaisusta, siis noin klo 22:30 Suomen aikaa illalla.

Tarkalleen ottaen laukaisu tapahtuu klo 11.31:42 Suomen aikaa, jolloin Proton M -kantoraketti nousee matkaan Baikonurin laukaisualueella 200 olevalta alustalta 39.

Proton on eräs voimakkaimmista kantoraketeista ja ammoinen Neuvostoliitto kehitti sen alun perin 1960-luvulla suunnittelemiaan miehitettyjä kuulentoja varten. Sittemmin sitä on käytetty mitä erilaisimpiin laukaisuihin avaruusaseman osista tietoliikennesatelliitteihin ja planeettaluotaimiin.

Sen luotettavuus ei ole aivan yhtä hyvä kuin monilla muilla kantoraketeilla, esimerkiksi venäläisellä Sojuzilla, sillä hieman yli 400 laukaisusta nelisenkymmentä on epäonnistunut. Viime aikoina raketin nykyinen, M-versio on toiminut varsin ongelmitta, joten enteet ExoMarsin laukaisun onnistumiseen ovat hyvät.

Lentoonlähdön aikaan 58-metrisen kantoraketin massa on yli 700 tonnia. Raketin ensimmäinen vaihe lopettaa toimintansa kahden minuutin jälkeen ja se putoaa Siperiaan.

Ekologisesti tämä ei ole erityisen hyvä asia, koska raketti käyttää ympäristölle (palamattomina ollessaan) haitallisia aineita polttoaineenaan ja hapettimena, ja niitä on hieman jäljellä putoavan rakettivaiheen tankeissa. Siinä missä ennen tämä asia ohitettiin olan kohauttamisella, ollaan nyt epäkohdasta tietoisia, ja siksi Venäjä on kehittämässä Protonille puhtaampaa seuraajaa.

Toinen vaihe toimii kolme ja puoli minuuttia, ja sen jälkeen vuoroon tulee kolmas vaihe, jonka hiivuttua ExoMars on avaruudessa. Vaikka korkeus on jo 153 km, ei luotaimella ole kuitenkaan vielä tarpeeksi vauhtia Maan kiertoradalla pysymiseen. Nopeus on "vain " 7 230 metriä sekunnissa.

Siksi ylin vaihe – nimeltään Breeze M – ottaa ohjat ja kantaa vastuun siitä, että luotain saadaan pidettyä avaruudessa ja työnnettyä juuri oikeaan suuntaan oikealla nopeudella siirtoradalle kohti Marsia. Sitä varten se sytyttää rakettimoottorinsa useampaan kertaan; ensin kuudeksi minuutiksi, joiden aikana luotain saadaan turvalliselle pysäköintiradalle Maan ympärillä, ja sitten radan muuttamiseen hyvin soikeaksi ja lopulta viimeiseen puskemiseen, joka sinkoaa sen planeettainväliseen avaruuteen.

Soikea rata välissä vie luotaimen noin 5 000 kilometrin päähän Maasta, ja ratamuutos sitä varten voidaan tehdä vasta yhden matalan ratakierroksen jälkeen, eli tästä tulee noin kaksi tuntia odottamista. Sen jälkeen tehtävä ratamuutos saa luotaimen vieläkin soikeammalla radalle, joka vie sen jopa 21000 kilometrin päähän. 

Tällä radalla yhteen kierrokseen menee taas kuusi tuntia, joten vasta sen jälkeen Breeze-M voi sytyttää moottorinsa jälleen, joten aika laukaisusta siihen, että TGO ja Schiaparelli ovat kunnolla matkalla kohti Marsia ja pystyvät olemaan yhteydessä lennonjohtoon, on piinaavat 10 tuntia ja 56 minuuttia (jos kaikki sujuu hyvin).

Kunhan luotaimeen ollaan yhteydessä ja lennonjohto tietää, että se toimii hyvin, se laitetaan horrokseen. Siitä se herätetään vasta noin seitsemän kuukauden kuluttua, jolloin saapuminen Marsiin on lähellä. Jos laukaisu tänään on jännittävä, niin Marsiin saapumisen päivä, 19. lokakuuta 2016, on kenties vieläkin jännittävämpi. Silloin TGO asettuu kiertämään planeettaa ja Schiaparelli laskeutuu sen pinnalle.

Myös Tiedetuubi seuraa laukaisua tiiviisti. Laukaisujuttua odotellessa on hyvää aikaa lukea alla olevia taustatietojuttuja sekä vaikkapa katsella kuvia parin vuoden takaisesta Baikonurista.

InSight-laskeutuja oli tarkoitus lähettää Marsiin ensi maaliskuussa, mutta sen päätutkimuslaitteessa havaitun vian vuoksi NASA on päättänyt olla lähettämättä sitä.

Voi olla, että 675 miljoonaa dollaria maksanut laskeutuja jää kokonaan lähettämättä. Joka tapauksessa laukaisu lykkääntyy kaksi vuotta eteenpäin, sillä Marsiin kannattaa lähettää luotaimia vain   joka toinen vuosi.

Näin ollen ESAn yhdessä venäläisten kanssa ensi helmikuussa lähetettäväksi suunniteltu ExoMars on ainoa kohti punaista planeettaa lähetettävä alus tässä laukaisuikkunassa.

Nimi InSight on lyhennys sanoista Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport, eli laskeutujan tarkoituksena oli tutkia Marsin sisustaa seismometrin  avulla sekä selvittää sen geodesiaa sekä lämpötasapainoa. Sen avulla oli tarkoitus saada lisätietoa planeetan sisärakenteesta ja sen ytimen koosta.

Sen päätutkimuslaite, joka nyt aiheuttaa laukaisun peruutuksen, on ranskalaistekoinen seismometri SEIS. Itse kolmesta seismometristä koostuva instrumenttipaketti toimii erinomaisesti, mutta siinä oleva 22 cm halkaisijaltaan oleva sylinteri, jonka sisällä pitäisi olla tyhjiö, alkoi yllättäen vuotaa testeissä. 

Tyhjiökammio on pettänyt testeissä jo kolme kertaa aikaisemmin, mutta insinöörit olettivat jo korjanneensa vian lopullisesti, kunnes se alkoi taas vuotaa. 

Koska laukaisupäivä alkaa olla jo kovin lähellä, ja luotaimen laukaisuvalmistelun pitäisi alkaa jo pian, ei aika enää riitä korjaamiseen – ja ennen kaikkea korjauksen uuteen suunniteluun sekä laitteen testaamiseen. Kallista laskeutujaa ei kannata lähettää matkaan, jos sen päätutkimuslaitteen toiminta halutulla tavalla ei ole varmaa.

Lisäksi laskeutujassa on mukana saksalaistekoinen Marsin pinnan lämmönjohtavuutta mittaava laite, magnetometri, kameroita sekä säämittareita. Laskeutujan lähettämän radiosignaalin avulla oli myös tarkoitus tutkia planeetan sisustaa.

NASA kertoo, että laskeutujan lähettämisen lykkääminen on luonnollisesti ikävää, mutta se ei vaikuta amerikkalaisten Mars-tutkimukseen laajemmin. Kyseessä on ns. edullinen välilento, ja se käyttää Phoenix-laskeutujassa käytettyä tekniikkaa ja ulkomailta saatuja mittalaitteita.

Seuraava etappi NASAlle on vuonna 2020 lähetettävä kulkija, joka on samankaltainen kuin nyt Marsissa oleva Curiosity-kulkija – tosin hieman erilaisilla tutkimuslaitteilla varustettuna.

Jos InSight lähetetään matkaan, niin se täyttäisi nyt NASAn marslentokalenterissa vuonna 2018 olleen aukon.

Suomalainen Space Systems Finland -yhtiö on valittu tekemään ohjelmisto ensimmäiseen eurooppalaisen Mars-kulkijaan. Kyseessä on kesällä 2018 matkaan laukaistava ExoMars-kulkija, jonka on tarkoitus laskeutua punaisen planeetan pinnalle vuoden 2019 alussa. 

"Hanke alkoi itse asiassa juuri ennen kesälomakauden alkua ja työt käynnistyvät täyteen tehoonsa parhaillaan", kertoo Matti Anttila SSF:sta. "Tämä on ensimmäinen Marsin pinnalle suuntautuva hankkeemme ja toinen konkreettinen työmme, joka liittyy planeettalentoihin – teemme myös Merkuriukseen suuntaavan BepiColombon havaintolaitteisiin ja sen emoalukseen ohjelmistoja." 

Euroopan avaruusjärjestön ExoMars-hankkeeseen kuuluu vuonna 2016 laukaistava Marsin kiertolainen ja kahta vuotta myöhemmin sitä seuraava kulkija, mihin tilattu ohjelmisto tehdään. ESAn kumppanina lennoilla on Venäjän avaruusvirasto Roskosmos, joka toimittaa tutkimuslaitteita sekä laukaisee kummatkin Mars-lennot matkaan. 

SSF:n osuus hankkeessa on tehdä kulkijaan sen varaohjelmisto, jonka voimin kulkija voi toimia siinä tapauksessa, jos varsinainen kulkijaa ohjaava ohjelmisto ei käynnisty kummassakaan ohjaustietokoneen prosessoreissa. Normaalitilanteessa ExoMars ei siis toimi tällä tilattavalla Recovery Software Image -ohjelmistolla, mutta jos kaikki muu pettää, niin suomalaisohjelmisto tulee apuun: sen avustuksella lennonjohto voi tutkia ja päivittää varsinaista pääohjelmistoa. 

Vaikka kyseessä onkin varaohjelmisto, on se olennainen osa kulkijan tekemistä, ja voi olla hyvinkin elintärkeä koko hankkeessa. Kaikissa avaruuslaitteissa on eritasoisia varatoimintoja ja ohjelmistoja, jotka pystyvät tekemään perustoimintoja ja mahdollistavat avaruuslaitteen hallinnan äärimmäisissä hätätilanteissa. Syynä ohjelmiston käyttötarpeelle voisi olla esimerkiksi muistipiirien meneminen sekaisin kosmisen säteilyn johdosta.

Kyseessä on myös merkittävä tunnustus suomalaiselle ohjelmistotyölle, sillä vastaavia ohjelmia tuottavia yhtiöitä, jotka ovat tehneet tai tekemässä ohjelmistoa Mars-kulkijaan, ei ole montaa koko maailmassa.

Jo aiemminkin vaativia ohjelmistoja Euroopan avaruusjärjestölle tehnyt SSF toimii ExoMars-hankkeessa Airbus Defence and Space -yhtiön alihankkijana, joka vastaa kulkijan tekemisestä. Suomalaistilauksen osuus kaikkiaan noin 1,2 miljardia euroa maksavista ExoMars-lennoista on 750 000 euroa.

Historiaa aina 1990-luvun hassuun Mars-mönkijään

SSF oli epäsuorasti mukana ammoisessa Mars 94/96 -hankkeessa ja sen jälkeen muun muassa Matti Anttilan kautta pienen, telaketjujen avulla kulkevan Mars-mönkijän poralaitteiston suunnittelussa. Miro-niminen porahanke (kuva oikealla) oli yhtiössä työn alla 1990-luvun lopulta aina 2004 asti. Laite on edelleen koekäytössä ESAn teknisessä keskuksessa ESTECissä olevassa Mars-simulaattorissa.

"Itse asiassa sen jatkoprojektit poikivat ensimmäiset yhteytemme ExoMars-hankkeeseen poratestien muodossa", kertoo Anttila. "Meillä on edelleen poraushanke meneillään, sillä olemme mukana jo toista vuotta EU:n tutkimusrahoituksen 7. puiteohjelman UPCD-porahankkeessa, jossa teemme Mars-ultraääniporan prototyyppiin ohjelmistoa".

"Vaikka tämä saatu tilaus on sinällään merkittävä tunnustus, on se kuitenkin tärkeämpi siksi, että se on jatkumoa avaruusalusten lento-ohjelmisto- ja kriittisten systeemien ohjelmisto-osaamisellemme. Loppujen lopuksi ohjelmiston käyttötarkoituksella ei ole niin merkitystä, kun tehdään ohjelmistoa, joka on laadunvarmistuksen ja luotettavuuden suhteen huippua. Tämä on meille jälleen hyvä tilaisuus näyttää osaamistamme ja luotettavuuttamme kumppanina."

Aiemmin SSF on tehnyt ohjelmistoja mm. painovoimaa mitanneeseen GOCE-satelliittiin sekä Herschel- ja Planck-avaruusteleskooppeihin, ja nyt ajankohtaisia ovat uuden Mars-hankkeen lisäksi jo työn alla oleva ohjelmisto Sentinel-4 -satelliittiin.

Huom: Jutussa oli aluksi vanhentuneita hyötykuorma- ja hintatietoja, jotka on nyt korjattu. Pahoittelut!

Tänään 2.12. pidettiin Luxemburgissa Euroopan avaruusjärjestön jäsenmaiden huippukokous ministeritasolla. Asialistalla oli useita kulisseissa paljon poliittista vääntöä aikaan saaneista päätöksistä, ja näistä olennaisin oli se, mitä tehdä Ariane 5:lle.

Ongelmana on ollut se, että tietoliikennesatelliittien koot vain kasvavat, joten nykyinen Ariane 5 on käynyt hieman epäkäytännölliseksi. Se suunniteltiin 1990-luvulla laukaisemaan kaksi tai kolme kookasta satelliittia kerralla avaruuteen, mutta nykyisin tyypillinen Arianella laukaistava satelliitti painaa kuutisen tonnia. Se ei kykene laukaisemaan kuin yhden tällaisen järkälesatelliitin, sekä lisäksi toisen normaalia kevyemmän satelliitin.

Aivan hyödytön ei Ariane 5 siis ole, mutta sopivan satelliittiparin löytäminen käy koko ajan hankalammaksi. Olisikin kätevämpää, jos Ariane olisi siis suurempi ja voimakkaampi, tai sitten sille tehtäisiin uusi, edullisempi ja hieman pienempi työnjatkaja, joka voisi laukaista yhden ison satelliitin kerrallaan – tai pari pienempää.

Tämä olikin ministerikokouksen suurin ongelma, etenkin kun siihen sotkeentui kahden suuren jäsenmaan omat edut: Saksa olisi halunnut jatkaa Ariane 5:n tekemistä (koska suuri osa valmistamisesta on saksalaisilla ja he hallitsevat hyvin nestemäisten rakettimoottorien tekeniikkaa), mutta Ranska ajoi voimakkaasti Ariane 6:n tekemistä (koska he vastaavat suurimmasta osasta suunnittelua ja vastaavat kimpassa italialaisten kanssa kiinteistä rakettimoottoreista, joihin uusi raketti turvaa enemmän).

Ariane 6 on edullisempi ja yksinkertaisempi

Aikanaan Ariane 5:stä sanottiin, ettei kantorakettia voi enää tehdä yksinkertaisemmin ja edullisemmin. Ajan myötä Arianea on opittu tekemään kuitenkin taloudellisemmin ja paremmin, mutta nyt jättiläisen perusolemus alkaa tulla vastaan. Kuten esimerkiksi uusi Space X -yhtiön Falcon 9 -kantoraketti on osoittanut, voidaan perinteisestä kertakäyttöisestäkin kantoraketista vielä puristaa enemmän irti.

Ariane 6:sta tehtään kaksi versiota, joista pienempi pystyy kuljettamaan 7 tonnia geostationaariradalle, eli sen kapasiteetti sopii juuri sopivasti yhden suuren tietoliikennesatelliitin laukaisemiseen. Näin massiiviset satelliitit ovat vielä nyt harvinaisia, eikä ole todennäköistä, että satelliitit tästä pahemmin tulevat enää kasvamaan. Raskaampi, neljällä apuraketilla varsutettu versio pystyy puolestaan nostamaan 11 tonnia geostationaariradalle, eli se voi joko viedä todella suuren satelliitin tai kaksi kevyempää.

Valittu kokoluokka sopii myös monien hahmotteluvaiheessa olevien tutkimussatelliittien ja luotainten lähettämiseen.

Uusi raketti on hyvin modulaarinen: raketin kaksi ensimmäistä vaihetta käyttävät kiinteää polttoainetta ja ne ovat käytännössä samanlaisia. Niissä on 135 tonnia polttoainetta. Ensimmäisen vaiheen moottoria auttaa keskirungon ympärille kiinnitetyt apuraketit, jotka voivat olla joko samanlaisia kuin ensimmäisen vaiheen moottori, tai hieman pienempitehoisia. Voimakkaimmassa versiossa ensimmäinen vaihe koostuu keskirungossa olevasta moottorista ja neljästä samanlaisesta siihen kiinnitetystä moottorista.

Kiinteän polttoaineen käyttäminen tekee raketin laukaisusta paljon yksinkertaisempaa ja varmempaa, koska superkylmän hapen sekä polttoaineen tankkaaminen on monimutkainen prosessi ja nestemoottorit ovat monimutkaisia. Nestemäistä polttoainetta käyttävää moottoria tosin voidaan säätää paremmin lennon aikana, minkä lisäksi se voidaan sammuttaa ja sytyttää uudelleen. Siksi raketin kolmannessa vaiheessa käytetään nestemoottoria, koska satelliittien saaminen juuri oikealle radalle vaatii tätä uudelleenkäynnistettävyyttä. Käytännössä kolmas vaihe tulee olemaan jatkokehitelmä Ariane 5:n uudesta ylimmästä vaiheesta ja sen käyttämästä uudesta Vinci-nimisestä moottoista.

Raskaamman version laukaisuhinta on noin 85 miljoonaa euroa ja kevyemmän 65 miljoonaa euroa, mikä tarkoittaa noin 30-50% edullisempaa hintaa kuin Ariane 5:n kyydillä satelliitin koosta ja käytettävästä rakettiversiosta riippuen. Lähes puolet pienempikapasiteettisen Falcon 9:n laukaisun hinta on noin 40 miljoonaa euroa (54 miljoonaa dollaria), eli tämä markkinoiden edullisin läntinen kantoraketti on samaa hintatasoa uuden Arianen kanssa.

Eurooppalaistapaan Ariane 6 kehitetään kansainvälisenä yhteistyönä, mutta voi olla, että hankkeeseen osallistuvien maiden määrä tulee supistumaan siitä, mitä se on Arine 5:ssä. Tämän hyvä puoli on se, että raketin tekeminen on vähemmän byrokraattista. On hyvinkin mahdollista, että suunnitteluvaiheen jälkeen raketti tulee olemaan nykyistä enemmän Airbus-yhtiön avaruusosaston (entinen EADS Astrium) tuote ja mahdollisesti nykyisin Ariane-raketteja markkinoiva, teollisuuden ja avaruusjärjestöjen perustama Arianespace jää taustalle.

Joka tapauksessa nyt tehty päätös tarkoittaa sitä, että uuden Arianen suunnittelu käynnistyy nyt kunnolla. Ranskalaiset vastaavat 52% sen tekemiseen kuluvista 8 miljardista eurosta ja saksalaisten osuus on 22%. Mukana on myös kaikki muut ESAn kantorakettiohjelmaan osallistuvista maista pienemmillä osuuksillaan; Suomi ei ole mukana raketin kehittämisessä.