luotain

Jos kaikki käy suunnitelman mukaan, lähtee pieni OSIRIS-REx -niminen luotain nyt yöllä Suoman aikaa avaruusmatkalle Floridasta, Cape Canaveralista. Matka on eräs jännimmistä luotainlennoista pitkiin aikoihin, sillä tarkoituksena on käydä hakemassa pieni palaneen asteroidista laboratorioissa tutkittavaksi.

Yllä oleva video kertoo (englanniksi) mistä lennossa oikein on kyse: miksi kannattaa lentää kahden vuoden ajan kohti asteroidia, napata siitä matkaan näyte ja tulla sitten takaisin Maahan?

Jos haluat lukea lisää lennosta, niin se onnistuu täällä: Bennulle ja takaisin.

Eräs aurinkokuntamme jännittävimmistä paikoista on jättiläisplaneetta Jupiteria kiertävää suuri kuu, Europa. Todennäköisesti sen jäisen pinnan alla on koko suuren kuun kattava valtameri. Tutkijat haluaisivat luonnollisesti lähettää luotaimen sitä tutkimaan – mutta hankkeessa on monia varsin suuria ongelmia.

ILA Tutkijat ja insinöörit eri puolilla maailmaa ovat pohtineet jo jonkin aikaa erilaisia tapoja, joilla Europan pinnanalaista valtamerta voitaisiin tutkia. Ongelmana on paitsi se, että laskeutujan lähettäminen Jupiterin kuun pinnalle on varsin vaikeaa, niin myös se, että laitteen pitäisi pystyä porautumaan useita kilometrejä paksun jään läpi ja sukelluslaitteen tulisi toimia autonomisesti pimeydessä jään alla.

Koska vesi hyydyttää radiosignaalin varsin tehokkaasti, ei sukellusrobotti voisi olla kätevästi yhteydessä laskeutujaan; kilometrejä pitkän kaapelin päässä kulkeva sukelluslaite ei sekään ole kovin käyttökelpoinen.

Tähän saakka ehdotetut systeemit Europan meren tutkimiseen ovat olleet varsin ristiriitaisia. Poralaitteet kykenivät tekemään vain hyvin kapeita reikiä, kun taas kaikki hahmotellut sukellusrobotit ovat olleet melkeinpä suurempia kuin toteuttamiskelpoiset laskeutujat.

Nyt kuitenkin saksalaisilla on ratkaisu – ja sitä esiteltiin ensimmäistä kertaa julkisesti ILA-messuilla kesäkuun alussa Berliinissä. Tarkalleen ottaen kyseessä on Saksan ilmailu- ja avaruushallinnon (DLR) avustuksella työskennelleen, Bremenissä sijaitsevan Saksan kansallisen tutkimuskeskuksen tekoälytutkimusosaston robotiikkainnovaatiokeskuksen (DFKI) hanke ja mukana sen suunnittelussa on ollut Max Planck -instituutin Göttingenissä oleva aurinkokuntatutkimusryhmä.

Sukellusrobotti ei ole vain pelkkä suunnitelma, vaan jo toimiva laite. Sitä on testattu suuressa vesialtaassa sisätiloissa ja suunnitelmissa on lähteä sen kanssa seuraavaksi ulos. Laitetta ILAssa esitellyt Marius Wirtz toivoi, että seuraavassa vaiheessa (lue: jos saadaan lisärahoitusta) robottia voitaisiin testata vaikkapa talvella jossain Suomen järvessä ja sen jälkeen napa-alueilla.

Europan tutkimisen lisäksi autonominen, kovia kestämään rakennettu sukellusrobotti voisi täydentää myös tavallisia merentutkimuksessa käytettäviä liitimiä sekä auttaa muun muassa tutkimaan Etelämantereen jääkannen alla olevia, pitkään ulkomaailmasta eristyksissä olleita järviä.

Miten Europa-sukellus tapahtuisi?

Yllä oleva video kertoo pääkohdat sukellusrobotin tehtävästä, mutta tässä tapahtumien kulku hieman tarkemmin:

1. Se kuljetettaisiin Europan pinnalle laskeutujalla, jossa se voisi olla esimerkiksi keskellä pystyssä ajoainetankkien väliin jäävässä tilassa.

2. Kairasysteemi alkaa tunkeutua jään läpi jäätä sulattamalla, ei reikää siihen poraamalla. Yhden pitkän kairan sijaan kyseessä on siis pitkulainen sukkula, jonka sisällä sukellusrobotti on ja joka on yhteydessä laskeutujaan – ja sitä kautta Maahan – pitkällä kaapelilla.

3. Kun robotin sisältämä sukkula saapuu jään alareunaan, se kiinnittyy siihen ja avaa alapäässään olevan luukun. Sieltä vapautuu veteen pieni parvi autonomisia minirobotteja, jotka levittäytyvät ympäristöön ja kiinnittyvän jään alapintaan.

4. Sukellusrobotti työntyy esiin. Samalla erityinen suunnistusmajakka tulee näkyviin. Koska radiosignaali etenee hyvin huonosti vedessä, on majakka ennen kaikkea visuaalinen: siinä on kirkas valo, mutta myös lentokoneiden mustissa laatikoissa käytettävän radiolähettimen kaltainen laite, joiden avulla sukellusrobotti voi löytää takaisin lähtöpaikalleen. Tässä auttaa myös robotissa oleva tarkka gyroskooppisuunnistuslaitteisto.

5. Robotti on kiinni pidikkeessä, mutta yhteydenpito siihen tapahtuu esim. bluetooth- tai wifi-linkin välityksellä. Kummankin kantama riittää hyvin, kun robotti on kiinni pidikkeessään ja etäisyys lähettimen ja vastaanottimen välillä on vain vajaa kymmenen senttiä. Myös robotin akkujen lataaminen tapahtuu langattomasti; näin robotissa ei täydy olla riskialttiita reikiä ja niin yhteydenpito kuin lataaminenkin onnistuvat, vaikka robotti ei olisikaan täsmälleen paikallaan pidikkeessä.

6. Sukellusrobotti pystyy toimimaan täysin autonomisesti. Paitsi että se ei voisi olla sukelluksissa ollessaan yhteydessä Maahan tai edes laskeutujaan, kestää radioviestiltä 33-53 minuuttia saavuttaa Maa, joten kauko-ohjaaminen ei tulisi kyseeseen missään tapauksessa. Robotti ohjelmoidaan siis tutkimaan kaikkea kiinnostavaa, mutta erityisesti merenalaisia lähteitä, jotka voisivat olla samanlaisia kuin maapallolla merten syvyyksissä olevat "mustat savuttajat" – kuumat lähteet, joiden ympäristössä voisi olla elämää.

7. Sukellustensa välissä robotti tulee takaisin lähtöpaikkaansa siirtämään tietonsa laskeutujan kautta Maahan ja lataamaan akkujaan. Periaatteessa laite voisi toimia niin kauan kuin se saa aina uudelleen sähköä.

Yksityiskohtia sukellusrobotista:

Valonheittimet, kaikuluotaimet ja kamerat rungon alapuolella.

Nenässä oleva voimakas valonheitin ja kamerat.

Peräsin ja sen suojassa oleva työntövoimalaitteisto (potkuri, koska vesisuihkusysteemi on liian vaarallinen veteen, jonka koostumusta ei tunneta).

Kuvia sukellusrobotista altaassa

Kuvat: Jari Mäkinen ja DFKI

Douglas Adamsin viisiosaisen klassikkotrilogian alkajaisiksi Ford Prefect ja Arthur Dent liftaavat tuhoutuvalta maapallolta Vogonien rakennuslaivaston komentoaluksen kyytiin. Tieteiskuvitelma alkaa kohta olla todellisuutta, joskin vain Aurinkokunnan mitassa. Eikä matkaajina ole elollisia olentoja, vaan pienkappaleita tutkiva robottiluotain.

NASA on kehittelemässä uutta "komeettaliftaria", joka lähtisi peukalokyytiläisenä komeetan tai asteroidin matkaan. Pelkkä sähköpeukalo – kuten Adamsin kirjassa – ei kuitenkaan riitä, vaan luotaimen on turvauduttava järeämpiin konsteihin: vaijerilla varustettuun harppuunaan.

Moneen kertaan käytettävä vaijerijärjestelmä korvaisi polttoaineen, jota tarvitaan kiertoradalle asettumiseen ja laskeutumiseen, joten tankkien tyhjenemisestä ei tarvitsisi olla huolissaan.

Kohdettaan lähestyvä luotain sinkoaisi harppuunalla varustetun vaijerin sen pintaan. Kelaamalla vaijeria sopivaan tahtiin ulos luotain jarruttaisi liikettään komeetan tai asteroidin suhteen.

Kun luotaimen ja kohteen nopeudet ovat yhtä suuret, luotain voisi kiskoa itsensä vaijerin avulla pinnalle ja "laskeutua" äärimmäisen pehmeästi – ilman pisaraakaan polttoainetta.

Seuraavaan kohteeseen luotain pääsisi sinkauttamalla itsensä vaijerin ja tutkimansa asteroidin tai komeetan liike-energian avulla matkaan.

"Liftaamalla olisi mahdollista käydä tutkimassa yhdellä lennolla useampaa, kenties viittä tai jopa kymmentä kohdetta joko asteroidi- tai Kuiperin vyöhykkeellä", laskeskelee Masahiro Ono, joka on kehitellyt uudenlaista avaruusmatkailua JPL:ssä (Jet Propulsion Laboratory).

Ongelmana on, kestääkö harppuuna kovan iskun asteroidin tai komeetan pintaan, ja saako vaijerista riittävän lujatekoisen tällaista tarkoitusta varten. Supertietokoneilla tehtyjen mallinnusten avulla tutkijat ovat kehittäneet "avaruusliftausyhtälön". Se kytkee toisiinsa vaijerin lujuuden, vaijerin ja luotaimen massasuhteen sekä tiettyä manööveriä varten tarvittavan nopeudenmuutoksen.

Tähän asti luotainlennoilla on tarvittu suuri määrä polttoainetta pelkästään siihen, että alus saa sovitettua nopeutensa kohteen nopeuteen. "Komeettaliftari ei vaadi kiihdyttämiseen ja jarruttamiseen lainkaan polttoainetta, sillä se käyttää hyväkseen kohteensa liike-energiaa", Ono toteaa.

Laskeutumisessa komeetalle tai asteroidille on keskeistä hidastaa vauhtia riittävästi, jotta se olisi turvallista. Siksi komeettaliftarin vaijerin täytyy kestää valtaisia jännityksiä ja suuria lämpötilanvaihteluja, kun se jarruttaa luotaimen liikettä.

Laskelmien mukaan vaijerin tulisi olla 100–1 000 kilometriä pitkä, jotta tarvittavat ratamuutokset onnistuisivat. Se pitäisi olla edestakaisin kelattava, sietää rajuja nykäyksiä ja selvitä vahingoittumatta pienten meteoroidien iskuista.

Tällä hetkellä on olemassa jo kaksi materiaalia, jotka voisivat täyttää ankarat kriteerit: Zylon ja Kevlar. Jos matka-aikoja halutaan lyhentää tuntuvasti, nopeudenmuutokset ovat kuitenkin niin suuria, että mikään nykyisin tunnetuista materiaaleista ei kestäisi rasitusta.

Piirustuspöydällä on jo suunnitelmia hiilinanoputkivaijereista ja timanttiharppuunoista, mutta ehkä tieteiskuvitelmat eivät sittenkään ole aivan vielä totta.

Kuva: NASA/JPL-Caltech/Cornelius Dammrich

Tagit

komeetat

asteroidit

luotain

komeettaliftari

Venusta kahdeksan vuoden ajan kiertänyt eurooppalaisluotain Venus Express on vaiennut. Viimeinen yhteys luotaimeen oli 19. tammikuuta.

On todennäköistä, että sen on syöksynyt pilvisen planeetan paksuun kaasukehään ja tuhoutunut – mutta tämä ei ollut mikään yllätys. Luotaimen polttoaine loppui jo joulukuussa uskaliaan ja vaarallisen ilmajarrutusmanöveerin jälkeen tehdyn ratamuutoksen aikana.

Polttoaineen määrää oli luonnollisesti seurattu tarkasti koko lennon ajan, joten kun viime keväänä tankin tiedettiin olevan jo aika tyhjillään, päätettiin luotaimella tehdä uskaliaita koukkauksia Venuksen kaasukehän yläosiin, koska näin sieltä saataisiin erittäin kiinnostavia mittaustietoja. Tähän uskallettiin ryhtyä luotaimen ollessa joka tapauksessa elinikänsä lopussa.

Samalla haluttiin testata luotaimen tekniikan toimintaa vaativissa olosuhteissa sekä mm. lämpötilojen muuttumista luotaimen sisällä lähiohitusten aikana. Venus Express kävi lähimmillään noin 130 kilometrin korkeudella planeetan pinnasta ja opetti paljon niin ilmajarrutuksen dynamiikasta, luotaimen tekniikan suorituskyvystä ja Venuksen kaasukehästä.

Kerroimme tästä vaarallisesta ilmajarrutusmanöveeristä tarkemmin 18. kesäkuuta jutussamme Koukkaus syvälle Venukseen.

Kuva: Piirros ilmajarruttavasta Venus Express -luotaimesta.

Luotain kesti paljon paremmin kuin uskallettiin toivoa, minkä lisäksi polttoainetta oli tempun jälkeen arvioitua enemmän jäljellä. Tankkien sisällön aivan tarkkaa määrää ei voida sanoa, joten polttoainemittarin näyttämä oli arvio, mutta menovettä oli selvästi vielä yllättävän paljon jäljellä.

Niinpä luotaimen rataa päätettiin nostaa jälleen korkeammalle, jotta se voisi jatkaa tutkimuksiaan uudelta, kaukaisemmalta kiertoradalta mahdollisimman pitkään. Lennonjohto teki siten suunnitelman ratamuutoksista, jotka piti toteuttaa 23.-30. marraskuuta.

Venus Express aloitti ratamanöveerit suunnitellulla tavalla, mutta marraskuun 28. päivänä se ei enää käyttänytkään moottoreitaan odotetulla tavalla. Lennonjohto menetti otteensa luotaimesta. Mitä todennäköisimmin polttoaine oli loppunut kesken polton.

Luotaimeen pystyttiin pitämään epäsaannöllisesti yhteyttä, mutta sitä ei voitu enää ohjata.

Koska se ei päässyt tavoitellulle kiertoradalle, jäi se kiertämään Venusta soikealla radalla. Aina radan Venusta lähimmässä osassa kaasukehä jarrutti luotaimen nopeutta, kunnes nyt lähes kahden kuukauden kuluttua, jatkuvasti alaspäin pudonneella radalla kiertämisen jälkeen, planeetta nappasi Venus Expressin huomaansa.

Yllä olevassa kuvassa on Venus Expressin viimeinen radioviesti. Se saatiin 18. tammikuuta noin klo 16 Suomen aikaa, kun luotaimen antenni osoitti suoraan kohti maapalloa.

Sen jälkeen 21. tammikuuta luotaimen radiosignaalin kantoaalto saatiin vähäksi aikaa kuuluviin, mutta viestissä ei ollut tietoa. Kun yhteys luotaimeen olisi normaalisti muodostunut seuraavan kerran 22. tammikuuta, ei siitä enää kuultu mitään.

Ratalaskelmien mukaan Venus Express oli 21. tammikuuta radalla, joka vei sen klo 17:56 Suomen aikaa vain 119,4 kilometrin korkeudelle planeetan pinnasta. Viimeistään silloin, tai kierrosta aikaisemmin tai myöhemmin, kaasukehän kitka hidasti sitä todennäköisesti niin paljon, että se syöksyi alas.

“Tiedämme vain sen, että emme saa luotaimeen enää yhteyttä”, sanoo Venus Express -lennon johtaja Patrick Martin pragmaattisesti. “Se voi olla edelleen kiertämässä Venusta, mutta emme kuule siitä mitään. Jatkamme sen kuuntelua kuitenkin vielä noin viikon ajan kaikelta varalta.”

Venuksen pikalinja

Venus Expressin virallinen tarina alkoi vuonna 2002, kun Euroopan avaruusjärjestö päätti sen tekemisestä. Se nimitettiin Venus Expressiksi, koska luotain oli käytännössä kuin kaksoiskappale Mars Express -luotaimesta.

Vaikka kumpikin Express käytti samaa perusrunkoa, niiden elektroniikka sekä työntövoimalaitteet olivat samanlaisia ja ne muistuttivat toisiaan hyvin paljon, ei Venus ole Mars, ja siksi suunnitelmiin piti tehdä pieniä muutoksia.

Aurinko kuumentaa luotainta Venuksen luona neljä kertaa enemmän kuin Marsissa, siellä ionipommitus on suurempi ja Venuksen painovoimakenttä on Marsin gravitaatiota suurempi. Siis luotaimeen piti saada marsilaiseen veljeensä verrattuna lisää lämpösuojausta, kestävämmät aurinkopaneelit ja enemmän polttoainetta mukaan. Ja tietoliikenteessä pitää lyhyempi välimatka (suurimmillaan vain 1,7 AU verrattuna Marsin kaukaisimpaan etäisyyteen 2,7 AU) sekä Venuksen sijainti aina lähempänä Aurinkoa taivaalla ottaa huomioon.

Kooltaan Venus Express oli noin 1,5 metriä kanttiinsa oleva kuutio, jonka aurinkopaneelien kärkiväli oli kahdeksan metriä. Laukaisun aikaan sen massa oli 1240 kg, mistä 570 kiloa oli polttoainetta ja ruhtinaallisesti 93 kiloa tutkimuslaitteita. Luotaimen tekemiseen osallistui 25 yhtiötä 14 Euroopan maasta; päävastuun laitteesta kantoi Astrium-yhtiön ranskalainen osa. Mukana oli myös suomalaista tekniikkaa, sillä samaan tapaan kuin Mars Expressissä, olivat Venuksen pikalinjan virranjakolaitteet Patrian valmistamia.

Venus-luotaimen mittalaitepakettiin koottiin seitsemän instrumenttia, jotka joko olivat Mars Expressin tai komeettaa parhaillaan tutkivan Rosettan varalaitteita, tai ne tehtiin Venuksen olosuhteet huomioiden samojen suunnitelmien perusteella.

Venuksessa kiinnostavimpia asioita ovat ilmakehä, planeetan plasmaympäristö sekä Venuksen tarkka kuvaaminen, joten mukana on kolme erilaista spektrometriä, ultravioletista infrapunaan näkevä kameralaitteisto, plasmamittari ja magnetometri. Lisäksi luotaimen ja Maan välistä radiolinkkiä voitiin käyttää hyväksi kaasukehän tutkimisessa, sillä signaalissa tapahtuvat pienet muutokset kertovat kaasukehän tiheydestä, lämpötilasta ja paineesta sekä pinnan muodoista ja sähköisistä ominaisuuksista.

Venus Express laukaistiin avaruuteen Baikonurin kosmodromista Sojuz-kantoraketilla 9. marraskuuta 2005 ja se saapui perille pilviplaneettaa kiertämään 162 vuorokautta kestäneen matkan jälkeen 11. huhtikuuta seuraavan vuoden puolella. Luotain asettui kiertämään uutta kotiplaneettaansa jännittävän 53 minuuttia kestäneen päämoottorin polton avulla.

Pari viikkoa kestäneiden ratamanöveerien sarjan jälkeen Venus Express alkoi tutkia uutta kotiplaneettaansa radalla, joka kiersi Venuksen kerran 24 tunnissa. Sen kaukaisin piste ylettyi 60 000 kilometrin korkeuteen ja läheisin piste liippasi 250 kilometrin päästä planeetasta.

Tarkoituksena oli alun perin tehdä havaintoja ainakin kahden Venuksen vuoden ajan, siis noin neljän Venuksen päivän ajan, eli jotakuinkin 500 Maan vuorokauden ajan. Vaikka monet uskoivat luotaimen jatkavan toimintaansa vielä tuon ajan jälkeenkin, harva tuskin tuli ajatelleeksi, että se päättäisi toimintansa vasta vuonna 2014 – siis kuusi vuotta pitempään kuin oli suunnitelmissa.

Lisätietoja Venus Express -luotaimesta ja sen keräämästä suuresta tietomäärästä on ESAn sivuilla.

Tagit

Tilaa aihepiirin luotain RSS-syöte