Sodankylään ESAn satelliittien kalibrointi- ja validointikeskus Jari Mäkinen Pe, 07/02/2025 - 18:59
Satelliittiantenni ja mittalaitteita Sodankylän Tähtelässä
Satelliittiantenni ja mittalaitteita Sodankylän Tähtelässä

Euroopan avaruusjärjestö ESA perustaa yhdessä Ilmatieteen laitoksen kanssa Arktisen satelliittien kalibrointi- ja validointikeskuksen Sodankylään. Tällaista toimintaa on tehty Sodankylässä jo pitkään, mutta nyt toiminta saa virallisemman luonteen.

Jotta Maata havaitsevien satelliittien tuottamat kuvat ja keräämä tieto ovat luotettavia, täytyy satelliittimittauksia varmentaa Maan päällä tehtävillä mittauksilla. Esimerkiksi jos avaruudesta mitataan kosteutta tai hiilidioksidipitoisuutta, täytyy mittauksia näistä tehdä säännöllisesti myös alueella, jota satelliitti on tutkinut. 

Satelliittimittaukset kalibroidaan sitten paikan päällä tehtyjen mittausten kanssa.

Ilmatieteen laitos on tehnyt tällaisia mittauksia jo pitkään, ja näiden mittausten keskuspaikkana on yleensä toiminut Sodankylässä Tähtelän observatorioalueella sijaitseva Arktinen avaruuskeskus. Suomalaiset ovat osallistuneet myös mittauskampanjoihin muuallakin.

Tähtelässä sijaitsevat sekä Ilmatieteen laitos että Oulun yliopistoon kuuluva Sodankylän geofysikaalinen observatorio. Yhdessä nämä muodostavat varsin ainutlaatuisen tutkimuskeskittymän Lapissa.

SMOS-satelliitin maamittalaite

Sodankylässä Ilmatieteen laitoksen pihalla on mm. kosteutta mittaavan SMOS-satelliitin maatutkimuslaitteita. Tätä lokakuussa 2024 kuvattua tötteröä on käytetty jo 15 vuoden ajan. Kuva: Jari Mäkinen

 

Superkeskus Suomeen

Euroopan avaruusjärjestön Maan havainnointiohjelman ohjelmajohtokunta kokousti viime viikolla Saariselällä. Johtokuntaa johtaa tällä hetkellä Maanmittauslaitoksen apulaispääjohtaja Jarkko Koskinen.

Kokouksessa julkistettiin päätös perustaa Euroopan avaruusjärjestön ja Ilmatieteen laitoksen yhteistyönä Arktinen satelliittien kalibrointi- ja validointikeskus (Arctic-Boreal Earth Science, calibration and validation supersite).

”Keskus nostaa Suomen avaruustoiminnan vaikuttavuutta kansainvälisesti huomattavalla tavalla ja luo kasvun edellytyksiä suomalaiselle avaruustoiminnalle ja -teollisuudelle sekä parantaa tieteellisen tiedon tasoa", sanoo Ilmatieteen laitoksen pääjohtaja Petteri Taalas Ilmatieteen laitoksen tiedotteessa.

"Uudet satelliittimenetelmät yhdessä maanpintahavaintojen kanssa tarjoavat nykyistä merkittävästi tarkempaa tietoa hiilidioksidin ja metaanin lähteistä ja nieluista. Ilmatieteen laitos pyrkii olemaan maailman johtavia toimijoita alalla”, 

Hiilidioksidin ja metaanin lähteisiin ja nieluihin liittyy suurta epävarmuutta. Satelliittien ja tarkkojen maanpintahavaintojen avulla on mahdollista saada nykyistä huomattavasti parempaa tietoa näistä.

“Keskuksen sijainti korkeilla leveysasteilla, ja sitä ympäröivät boreaaliset metsät edustaen laajempaa ympäri napapiiriä ulottuvaa metsä- ja tundraekosysteemiä, tekevät siitä ihanteellisen paikan Maata kiertävien satelliittiemme keräämän datan käyttökelpoisuuden varmentamisessa", sanoo Simonetta Cheli, ESAn Maan havainnointi -ohjelmien johtaja.

"Uusi kalibrointi- ja validointikeskus parantaa satelliittipohjaisen tiedon laatua ja edistää uusien, arktiseen alueeseen liittyvien palveluiden ja sovellusten kehittämistä. Tämä ei ainoastaan hyödytä ESAa ja lisää ymmärrystämme metsä-tundra-ympäristöstä, vaan tarjoaa myös suomalaiselle teollisuudelle mahdollisuuksia kehittää ja testata uusia ympäristön mittalaitteita ja teknologioita."

Mittaustorni

Mittauksia tehdään myös mm. torneista ja lentokoneista. Tässä Ilmatieteen laitoksen tornissa on kaksi ESAn Elbara -radiometriä, toinen tornin huipulla ja toinen maanpinnan tasolla. Näillä mitataan sitä, miten pohjoinen havupuumetsä ja pehmeä maa (etenkin lumen sulamisen aikaan) vaikuttavat L-kaistan radiosignaalin voimakkuuteen. Kuva: Ilmatieteen laitos via ESA

ESAn Maan havainnointi -ohjelman mittauskampanjapäällikkö Malcolm Davidsonin mukaan ESA aikoo lisätä kykyään kalibroida ja validoida mikroaaltoalueella toimivia ja satelliittimittalaitteita hyperspektrihavaintoja tekeviä satelliitteja. 

"Tämän jo olemassa olevan keskuksen laajentaminen ns. superkeskukseksi vahvistaa sen kykyä osallistua tuleviin lukuisiin mittauskampanjoihin. Sellaisia ovat muun muassa Copernicus Anthropogenic Carbon Dioxide Monitoring, Copernicus Imaging Microwave Radiometer, Copernicus Hyperspectral Imaging Mission, Copernicus Polar Ice and Snow Topography Altimeter, Radar Observing System for Europe at L-band ja Earth Explorer FLEX -kampanjat."

ESA pyrkii lisäämään läsnäoloaan jäsenmaissansa, ja ns. Superkeskukset ovat uusi tapa tähän. Sodankylän keskuksen julkistus osuu hyvin Suomen ESA-jäsenyyden juhlavuoteen; Suomi liittyi ESAn täysjäseneksi 30 vuotta sitten.

ESAlla on jo Suomessa ESA BIC Finland -yrityskiihdyttämö ja vastaperustettu Phi-Lab Finland -innovaatiokeskus, jotka toimivat yhdessä Aalto-yliopiston kanssa.

Mittalaitteita Sodankylässä

Mittalaitteita Sodankylässä Arktisessa avaruuskeskuksessa. Kuva: Jari Mäkinen

Eläimellisiä elimiä — sian elimistä apua ihmisille tulevaisuudessa?

sika
sika

Sialta munuaisen saanut yhdysvaltalaisnainen on elänyt jo yli kaksi kuukautta uuden munuaisensa kanssa. Tutkijat toivovat ksenotransplantaatioista apua elinpulaan. 

Tammikuun lopulla 2025 uutisoitiin lääketieteellisestä läpimurrosta: munuaissiirron sialta saanut amerikkalaisnainen Towana Looney oli kaksi kuukautta siirron jälkeen hyvässä kunnossa. Looney ei ole ensimmäinen ihminen, joka on saanut sian munuaisen. Toukokuussa 2024 siirron sai Richard Slayman, mutta hän menehtyi kaksi kuukautta siirron jälkeen. Looney sen sijaan kertoi NPR:n haastattelussa, että voi paremmin kuin aikoihin ja pystyy jälleen tekemään kävelyretkiä. 

Elinsiirrot sioilta ihmisille kiinnostavat tutkijoita nyt laajemminkin. Vuonna 2022 David Bennet sai sian sydämen ja vuonna 2023 Lawrence Faucette. Molemmat kuolivat parin kuukauden sisällä siirrosta. Riskit ovat siis ilmeisen suuret. Mutta miksi sian elinten siirtämisestä ihmiselle ollaan nyt niin kiinnostuneita?

Ksenotransplantaatioilla on pitkä historia

Idea eläinten elinten käytöstä ihmisillä eli ksenotransplantaatiosta on ollut tutkijoiden ajatuksissa jo pitkään. Taustalla on se, että siirtoelimiä, kuten munuaisia, maksoja ja sydämiä, ei riitä lähellekään kaikille, jotka sitä tarvitsisivat — ja monet kuolevat elintä odottaessaan. Elinten tarve kasvaa koko ajan: esimerkiksi diabetes ja sen aiheuttamat munuaisvauriot yleistyvät nopeasti. Kansainvälisesti tämä on johtanut erilaisiin lieveilmiöihin, kuten laittomaan elinkauppaan: köyhien maiden ihmiset saattavat esimerkiksi myydä toisen munuaisensa rahaa saadakseen. 

Ensimmäinen tieteellinen koe ksenotransplantaatiosta julkaistiin jo vuonna 1905. Ranskalaistutkijat leikkasivat kanin munuaisesta palasia, jotka siirsivät kroonista munuaisen vajaatoimintaa sairastaneelle lapselle. Välittömät tulokset olivat lupaavia: lapsen virtsan määrä kasvoi ja oksentelu loppui. Lapsi kuoli kuitenkin noin kahden viikon kuluttua siirrosta.

Muitakin kokeita alettiin tehdä 1900-vuosisadan alkuvuosikymmeninä. Elimiä tai niiden osia siirrettiin lampailta, sioilta ja kädellisiltä apinoilta. Myöhemmin tutkijoiden kiinnostus ksenotransplantaatioon kuitenkin hiipui, kun alettiin ymmärtää elimistön hyljintäreaktioita: elimen siirtäminen eläimeltä ihmiselle onkin hyljinnän vuoksi kaikkea muuta kuin helppoa. 

Uusi kiinnostuksen aalto lähti liikkeelle 1950-luvulla. Yhdysvalloissa tehtiin ensimmäinen onnistunut munuaisensiirto ihmiseltä toiselle vuonna 1954, identtiseltä kaksoselta. Kun hyljinnänestolääkitys kehittyi, ihmiseltä toiselle tehtävät siirrot yleistyivät. Suomessa ensimmäinen munuaisensiirto ihmiseltä ihmiselle tehtiin vuonna 1964. 

Samoihin aikoihin jatkuivat kuitenkin myös kokeet eläinperäisten elinten käytöstä ihmisillä. Yhdysvalloissa tehtiin kuudelle ihmiselle munuaisensiirto simpanssilta. Kaikki kuolivat melko pian siirron saatuaan. Epäonnistumisista huolimatta tutkimukset ksenotransplantaatiosta ovat koko ajan jatkuneet taustalla: pulaa siirrettävistä elimistä on ollut aina.

Sika on kiinnostavin eläin

Miksi tutkijat ovat nyt kiinnostuneita juuri sian elimistä? Syyt ovat käytännölliset: sian elimet ovat anatomisesti samanlaisia kuin ihmisen elimet. Sikoja on eri kokoisia, niillä on isot poikueet ja niitä on helppo jalostaa. Lisäksi sikoja teurastetaan miljoonittain joka vuosi ihmisen syötäväksi, joten eettisesti ajatellen ei pitäisi olla estettä käyttää sian elimiä ihmisten sairauksien hoidossa. Toisaalta sikojen sydänläppiä on jo yli kolmenkymmenen vuoden ajan käytetty ihmisten läppävikojen hoidossa.

Geneettiset menetelmät ovat mahdollistaneet sian perimän muokkaamisen entistä helpommin. Jo pitkää on kyetty tekemään geenimuokattuja sikoja, joilla on muutettu yhtä geeniä siten, että ne eivät tuota solujensa pinnalle alfa-gal-antigeeniä, joka voisi aiheuttaa ihmisessä immuunireaktion. Vuonna 2023 tehdyssä sydänsiirrossa sian perimää oli muutettu siten, että kolme geeniä oli poistettu, jotta ihmiselimistö ei hylkisi elintä. Lisäksi kuusi ihmisgeeniä oli lisätty, jotta sian sydämestä tulisi hyväksyttävämpi ihmiselimistölle. 

Tähän mennessä saatujen kokemusten pohjalta sikojen elinsiirtojen tutkiminen todennäköisesti jatkuu, ongelmista ja menetyksistä huolimatta. Jatkuvasti opitaan uutta. Sydämensiirron sialta vuonna 2022 saanut David Bennet kuoli mahdollisesti siksi, että uuden sydämen mukana tuli piilevä sian sytomegalovirus, joka aktivoitui ja aiheutti sydämen vaurioitumisen. Jatkossa tämäkin riski osataan ottaa huomioon.

Tarve ja toiveet sioilta saatavia elimiä kohtaan ovat suuret. Etenkin vaikeassa sydämen vajaatoiminnassa keinot ovat vähissä. Joka 80:s minuutti maailmassa kuolee yksi sydänsiirtoa odottava ihminen. Tulevaisuudessa kuulemme toivottavasti hyviä uutisia.

 

Aiheesta keskusteltiin jo vuonna 2020 Suomen Lääketieteen Säätiön Tulevaisuuden lääketiedettä -podcastissa https://laaketieteensaatio.fi/tulevaisuuden-laaketiedetta-tekosydamia-ja-sioilta-elimia-ihmisille/.


 

Suomi mukaan Artemis -sopimuksiin

Nasan apulaisjohtaja Jim Freen videotervehdys
Nasan apulaisjohtaja Jim Freen videotervehdys

Suomi on liittynyt tänään mukaan Yhdysvaltain ja Nasan Artemis-sopimuksiin, jotka luovat kansainvälisen, monenkeskisen kehyksen yhteistyölle Kuun, Marsin ja muiden taivaankappaleiden tutkimuksessa. Samalla Suomi liittyi mukaan Euroopan avaruusjärjestön Zero Debris -aloitteeseen ja esitteli myös uuden avaruusstrategian.

Espoon Otaniemessä on meneillään suomalaisen avaruusalan tämän vuoden kohokohta: Aalto-yliopiston organisoima Winter Satellite Workshop

Pienestä opiskelijoiden työpajasta alkanut tapahtuma on paisunut Pohjois-Euroopan suurimmaksi avaruusalan vuosittaiseksi kokoontumiseksi. Mukana on yli tuhat osallistujaa ympäri maailman.

Ensimmäisen kokouspäivän täyttivät institutionaaliset esitykset ja tapahtumat.

Tänä vuonna tulee kuluneeksi 30 vuotta siitä, kun Suomi liittyi mukaan Euroopan avaruusjärjestöön täysjäsenenä. Sitä ennen Suomi oli vähän aikaa liitännäisjäsenenä ja yhteistyö oli alkanut jo hieman aikaisemmin. 

Itse Euroopan avaruusjärjestö juhlii tänä vuonna 50-vuotista olemassaoloaan. Euroopan kantorakettikehitysjärjestö ELDO ja Euroopan avaruustutkimusjärjestö ESRO yhdistettiin Euroopan avaruusjärjestöksi vuonna 1975.

Tilaisuudessa julkistettiin kirjanen, missä muistellaan Suomen taivalta avaruuteen. Sähköisen julkaisun Suomi ESAn jäsen 30 vuotta, kolme vuosikymmentä yhteistyötä ja menestystarinoita lukea ja ladata itselleen täältä.

Suomen avaruustoimintaa koordinoivan Työ- ja elinkeinoministeriön Tero Vihavainen esitteli Otaniemessä myös Suomen uuden avaruusstrategian, joka määrittelee Suomen avaruustoiminnan vision ja päämäärät vuoteen 2030. 

Avaruusstrategian pääpilarit

Uuden strategian pääpilarit Tero Vihavaisen esityksen kalvolla. Strategiassa on paljon kauniita sanoja ja hyvät päämäärät, mutta se kaipaa konkretiaa. Strategia on saatavilla suomeksi, ruotsiksi ja englanniksi.

 

Strategian keskeisiä tavoitteita ovat "avaruuspalveluiden hyödyntäminen yhteiskunnan eri sektoreilla, avaruustoimintaympäristön kehittäminen, toimintakyvyn vahvistaminen ja kansainvälisen yhteistyön lisääminen". 

Se korostaa avaruustalouden merkitystä, turvallisuus- ja puolustuspoliittisia näkökulmia sekä huoltovarmuuden tärkeyttä.

Artemis-sopimukset

Kansainvälisesti kiinnostavin osa tiistain ohjelmaa oli kuitenkin Suomen liittyminen Yhdysvaltain johtamaan Artemis-sopimuksiin. Suomesta tuli 53. sopimuksiin mukaan tullut maa.

Kyseessä on joukko sitoumuksettomia monenvälisiä sopimuksia Yhdysvaltain hallituksen ja muiden maiden hallitusten välillä, jotka perustuvat YK:n vuonna 1967 tehtyyn ns. ulkoavaruussopimukseen, mutta laajentavat ja tarkentavat sitä.

Ne kehystävät yhteistyötä Kuun, Marsin ja muiden avaruudessa olevien taivaankappaleiden siviili- ja rauhanomaisessa tutkimuksessa.

Sopimuksilla on suora poliittinen yhteys Yhdysvaltain ja Nasan Artemis-kuuohjelmaan. Koska myös Kiina ja Venäjä keräävät myös maita tukemaan omia intressejään, tarkoittaa sopimuksiin mukaan meneminen myös selvästi sitä, että Suomi on valinnut puolensa poliittisesti.

Asettuminen Yhdysvaltain rinnalle on luonnollinen jatko viimeaikaiselle kehitykselle. 

Ministeri Ville Rydman ja asianhoitaja Jim Free

Allekirjoittajina olivat Työ- ja elinkeinoministeri Ville Rydman ja Yhdysvaltain asianhoitaja Christopher Krafft. Nasan apulaisjohtaja Jim Free lähetti videotervehdyksen, mistä on jutun otsikkokuva.

 

Yhdysvaltain tuore hallintomuutos voi tuoda sopimuksiin lisäväriä, etenkin jos presidentti Trump tulee muokkaamaan voimakkaasti nykyistä Artemis-kuuohjelmaa. Laajempaan kehykseen tämä ei kuitenkaan vaikuttane, vaikka osuu kipeästi paljon tekniikkaa Artemikseen toimittaneeseen ja hankkeeseen muutenkin panostaneeseen Euroopan avaruusjärjestöön.

Ensimmäiset Artemis-sopimukset allekirjoitettiin 13. lokakuuta 2020, jolloin mukana olivat Australia, Kanada, Italia, Japani, Luxemburg, Yhdistyneet Arabiemiirikunnat, Yhdistynyt kuningaskunta ja Yhdysvallat. 

Artemis-sopimukset allekirjoittaneiden maiden liput

Ei roskaa!

Myös Euroopan avaruusjärjestö etsii kumppaneita, mutta hieman eri kulmalla. ESAn Zero Debris -julkilausuma, jonka mukaan avaruuden käytön tulisi olla täysin roskaamatonta vuoteen 2030 mennessä.

Valtioiden lisäksi ESA kutsuu mukaan yhtiöitä, tutkimuslaitoksia ja muita avaruutta käyttäviä tahoja, jotka sitoutuvat pyrkimään avaruuden roskaamisen vähentämiseen.

Ministeri Rydman allekirjoitti lausuman Suomen puolesta, ja lisäksi kuusi suomalaista avaruusalan toimijaa sitoutui myös toimimaan julkilausuman mukaisesti.

Big Space-suited inflatable astronaut near the front door at Dipole

Suuri, puhallettava astronautti toivottaa Dipolin avaruuskokouksen osallistujia tervetulleeksi torstaihin iltaan saakka. Kokouksesta tulee vielä lisää juttuja sekä video Tiedetuubiin.

Planeettaa vavisutti outo monotoninen tärinä - syy vielä epävarma

Kuva: Sherwood / Flickr
Kuva: Sherwood / Flickr
Mayotte-saari ja täristyspaikat

Outo tärinä vavisutti marraskuussa maapalloa. Sen alkuperä on vielä tuntematon, mutta kyse lienee tuliperäisestä toiminnasta Afrikan itäpuolella.

Outo aalto sai alkunsa 11.11.2018, kello 11:30 Suomen aikaa. Sen syntypaikka sijaitsi Afrikan ja Madagaskarin välissä, noin 24 kilometriä koilliseen Ranskalle kuuluvan pienen Mayotten saariryhmän rannoilta.

Tapahtuma rekisteröitiin seismometreissä ympäri maailman, aina Afrikan mantereelta Havaijille ja Etelä-Amerikasta Kanadaan. Laitteistot tallensivat sen myös Mayotten saarilla, vaikkeivät paikalliset ilmeisesti edes huomanneet koko tapahtumaa.

Maapallo "soi" aallon ansiosta noin 20 minuutin ajan. Värähtelyn aallonpituus oli arviolta muutamia kymmeniä kilometrejä ja taajuus jopa maanjäristykseksi erittäin matala, alle 0,06 hertsiä. Seismologi Jean-Paul Ampuero vertaa aallon alkuperää soittimeen: "musiikki-instrumentin nuotti - mataluus tai korkeus - riippuu aina instrumentin koosta." Tällä kertaa kyse vaikuttaa olleen jostain suuresta kaikukammiosta, joka tuottaa epätavallisen matalia nuotteja.

Mayotten aalloissa outoa oli juuri niiden monotonisuus. Niistä puuttuivat maanjäristyksille tyypilliset monet, rinnakkain etenevät aallonpituudet. Aallonharjat saapuivat kaikkialle lähes tasan 17 sekunnin välein.

Eikä aallon syntyyn tuntunut liittyvän mitään huomattavaa maanjäristystä, kuten olisi voinut olettaa. Erittäin tarkan suodatuksen jälkeen aineistosta löydettiin muitakin aaltoja kuin ensin havaitut pinta-aallot, mutta nekin vaikuttivat epätavallisen säännöllisiltä ja monotonisilta luonnon aiheuttamiksi. Tutkijoiden alustava päätelmä on, että kyse oli ns. hitaasta järistyksestä. Sellaisessa kallion jännitys ei vapaudu tavanomaisessa hetkellisessä nykäisyssä, vaan paljon hitaammin. Joskus moinen tapahtuma saattaa kestää jopa useita päiviä. Syyksi arvellaan tulivuoritoimintaa, mutta myös tektoniikalla voi olla osansa.

Outo aalto liittyy todennäköisesti aluetta kuukausia kiusanneeseen maanjäristysparveen, joka ei ole jäänyt vulkaanisten saarten yli 250 000 asukkaalta huomaamatta. Parven suurin järistys oli magnitudiltaan 5,8 - eli voimakkain saarilla koskaan mitattu. Vain kaksi päivää sitten (27.11.) sattui viimeisin suuri järistys, magnitudiltaan 5,0.

Mayotte-saari ja täristyspaikat
Toukokuussa alkaneen parven järistykset alkamispäivästä laskien. (Ranskan geologinen tutkimuskeskus)

Ranskan geologisen tutkimuskeskuksen BRGM:n mukaan Mayotten itäpuolelle keskittynyt parvi on kuitenkin hiipunut hitaasti heinäkuusta lähtien. Tämän jälkeen saari on liikkunut noin kuusi senttiä itään ja kolme etelään.

Vaikuttaa siltä, että saaren itäpuolelle saattaa paraikaa olla syntymässä uusi tuliperäinen keskus. BRGM:n Nicolas Taillefer kertoo mallien viittaavan siihen, että alueella liikkuisi ylöspäin noin 1,25 kuutiokilometriä magmaa. Taillefer johtaa BRGM:n tektonisista ja vulkaanista riskeistä vastaavaa yksikköä. Hän kuitenkin huomauttaa, että "parven sijainti on aivan [geologisten] karttojemme reunalla, ja on paljon, mitä emme vielä tiedä." Järistysparven keskus sijaitsee noin 50 kilometriä saarilta itään - epätarkkuus tosin on huimat 15 kilometriä. Mayotten ympäristön geologia etenkin merenpohjassa ja sen alla tunnetaan varsin huonosti.

Tällä haavaa oudon monotoniselle aallolle annettu paras - vaikkakin alustava - selitys on magmasäiliön kokema resonanssi ja siihen kenties liittyvä ympäröivän kiven hidas luhistuminen. Jossain Mayotten saaren koillispuolella saattaa olla siis magmasäiliö, jossa oleva sula kivi nousi ja laski nopeassa tahdissa. Tai sitten magma loiskui tai hölskyi, tai ehkäpä säiliön läpi kulki jokin paineaalto. Kyse voi myös olla pelkästään säiliön tyhjenemisestä, tai laajentumisesta.

Yksi vaihtoehto on, että juuri järistyskohdan monimutkainen geologia vain sattuu suodattamaan aallot niin, että läpi pääsevät ainoastaan 17 sekunnin pituiset aallot. Se nimittäin tiedetään, että Mayotten alla sijaitsee vaihettumisvyöhyke mantereisen ja merellisen kuoren välillä. Aluetta myös rikkovat moniin suuntiin kulkevat muinaiset Gondwana-mantereen hajoamisesta johtuvat siirrokset. Mayotte sijaitsee pienen ja vielä epävarman Lwandlen laatan pohjoisreunalla.

Merenalaisesta purkauksesta ei kuitenkaan ole vielä merkkejä. Asian varmistamiseksi BRGM:n tavoite on kuitenkin kartoittaa alueen merenpohjaa tarkemmin.

Mayotte kuuluu maantieteellisesti Komorien vulkaaniseen saariryhmään. Mayotten pääsaari Grande-Terre eli Mahoré on kooltaan 39x22 kilometriä, ja sen muodostanut tulivuori on ilmeisesti uinunut noin 4000 vuoden ajan. Tämän lisäksi saariryhmään kuuluu Petite-Terren eli Pamanzin saari, sekä useita pienempiä saaria, luotoja, kareja ja koralliriuttoja. Saarilta on noin 500 kilometriä Afrikan rannikolle ja 300 km Madagaskariin.

Asiasta kertoi Suomessa ensimmäisenä Tiedetuubi.

Lähteet: Wei-Haas: "Strange waves rippled around the world, and nobody knows why" (National Geographic 2018), "Earthquake swarm in Mayotte: a clearer understanding is emerging" (BRGM 2018).

Otsikkokuvassa Petite-Terren saaren rikkipitoinen Lac Dziani -kraatterijärvi (Sherwood / Flickr)

Samuel Kaski opettaa koneita oppimaan (video)

Samuel Kaski opettaa koneita oppimaan (video)

Otaniemessä, Aalto-yliopiston Tietotekniikan laitoksen ala-aulassa on akateemikko Teuvo Kohosen muotokuva. Eikä syyttä: hän on kouluttanut useammankin sukupolven tekoälytutkijoita aikana, jolloin Suomessa ei vielä paljoa puhuttu tekoälystä tai koneoppimisesta. Hän oli edellä aikaansa itseorganisoituvine karttoineen.

 

30.10.2018

Eräs Kohosen oppilaista on akatemiaprofessori Samuel Kaski, joka vetää Suomen tekoälykeskus -nimistä aloitetta.

"Olin opiskellut tietotekniikkaa pari vuotta ja lukenut myös neurotieteitä, kun pääsin kesätyöhön Teuvo Kohosen tutkimusryhmään", selittää Kaski.

"En ollut tiennyt, että Suomessa oli mitään niin kiinnostavaa asiaa. Vaikka opinnoissa olin pärjännyt erittäin hyvin, olin hämmästynyt, että pääsin mukaan. Näin jälkikäteen katsottuna oli todella tärkeää päästä mukaan korkeatasoiseen tutkimukseen noin aikaisin. Moni asia kiinnosti, mutta kun ymmärsin, että tällaista voi tehdä tosissaan ja se voi olla oikeasti työ, niin tutkimus vei minut mukanaan.”

Kaski toteaa, että hänkin ottaa lupaavimpia opiskelijoita projekteihinsa mahdollisimman varhain. "Se on huippututkimuksen erittäin hyvä kansainvälinen käytäntö. Vaikka pian väittelyn jälkeen suuntauduin ihan toisiin asioihin, kerron tätä tarinaa silloin tällöin siltä varalta, että nuoria fiksuja opiskelijoita olisi kuuntelemassa. Ehkä joku heistä tulee ajatelleeksi, että tutkimusta voisi kokeilla.”

Tekoälyllä syövän kimppuun

Kaski on kiinnostunut siitä, miten malleja maailmasta voi oppia automaattisesti ja miten näin voidaan ymmärtää tapahtumia sekä soveltaa malleja teknisesti muihin tarkoituksiin."Malli voi olla hyvin datalähtöinen tai sellainen, missä on jo tietoa siitä, miten asiat toimivat. Yleensä se on joku yhdistelmä näistä. Ja sitten tarvitaan aineistoa, joista voidaan oppia ne asiat, joita ei tiedetä valmiiksi. Sitten tarvitaan algoritmi, joka pystyy sovittamaan mallin saatavilla olevaan dataan."

Konkretiaa tälle saadaan esimerkiksi siitä, mitä Kaski on tehnyt viime aikoina: hän on käyttänyt koneoppimista lääketieteellisiin sovelluksiin.

"Genomiikassa iso kysymys on se, miten löydetään geenidatasta ne tärkeät tiedot, jotka voisivat auttaa sairauksien mallinnuksessa ja ennustamaan nykyistä paremmin, mikä hoito tehoaa. Aineistossa on tietoja geenien toiminnoista, metaboliikasta ja muita mittauksia soluista. Esimerkiksi syöpänäytteiden tapauksessa pystyimme määrittelemään, mikä aineistossa on relevanttia ja millaisia ovat riippuvuudet eri tietojen välillä. Tämä on auttanut parantamaan ennusteita siitä, millainen hoito tehoaa tietynlaisen kudosnäytteen perusteella kullekin potilaalle."

Vaikeaa on erityisesti harvinaisten tautien tutkimus. Kun uudesta potilaasta ei ole tarpeeksi tietoja eikä muistakaan potilaista, joilla on sama sairaus, ole paljoa tietoja, on Kasken kehittämin menetelmin saatu ongittua esiin olennaisia kohtia.

"Vaikein ongelma tässä on se, että vaikka olennaisia tietoja on vähän, niin mittaustietoja on aivan tolkuton määrä. Kun puhutaan genomiikasta, niin potentiaalisesti hyödyllisiä muuttujia on miljoonittain. Niistä pitää pystyä valitsemaan aineiston perusteella ne, jotka tulisi ottaa huomioon. Olemme siksi yhdistelleet aineistoja ja keskittyneet eri muuttujien välisiin suhteisiin yksittäisten tietojen sijaan."

Samankaltainen ongelma on lääkkeiden kehittämisessä. Lääkkeet toimivat periaatteessa siten, että niiden vaikuttavat aineet kohdistuvat tiettyihin proteiineihin soluissa. Samalla aineet vaikuttavat myös toisiin proteiineihin ja joskus niistä voi olla myös haittaa.

"Meillä on siis valtava matriisi, jossa on proteiinit vastaan lääkkeet. Tekoälyn avulla voimme ennustaa paremmin, mitä tästä matriisista puuttuu – erityisesti niistä kohdista, joista voisi olla hyötyä erityisesti silloin, kun lääkekehitystä viedään eteenpäin."

Jo nyt suuri osa lääketiedettä on muuttunut hyvin datalähtöiseksi. Kun tietoa on ja sitä voidaan saada yhä helpommin, voidaan asioita kysyä aivan uusilla tavoilla."Lääkkeiden kehittäminen perinteisillä menetelmillä on kovin kallista ja kestää kauan. Samalla esimerkiksi antibioottiresistanssi yleistyy ja monet lääkkeet menettävät tehoaan, joten uusien lääkkeiden kehittämisen pitäisi olla entistä tehokkaampaa, jotta ihminen voisi voittaa kilpajuoksun patogeenejä vastaan."

Ihminen ja kone yhdessä

Kaski painottaa usein, että koneoppiminen, tekoäly ja tekoälyn eri sovellukset ovat parhaimmillaan silloin, kun niitä käytetään ihmisen tukena. Tässäkin konkreettinen esimerkki tulee lääketieteestä: lääkärin vastaanotto.

"Kun lääkäri päättää siitä, millaisia mittauksia potilaalle tehdään, ja kun hän tekee mittausten perusteella diagnoosin ja määrää hoitoa, niin koneesta voi olla paljon apua. Lääkärillä on hyvä koulutus, mutta tekoälyn avulla voidaan saada paljon lisätietoa niistä miljoonista mittauksista, joita genomitieto tuottaa."

Näin päästään täsmälääketieteeseen. Siinä kaikkea saatavissa olevaa solutasonkin tietoa käytetään, kun tehdään kullekin potilaalle yksilöllisesti toimiva hoitosuunnitelma.

"Mutta siis edelleen tarvitaan lääkäri ja ennen kaikkea potilas itse sanomaan, mikä hoito valitaan. Kaikissa hoidoissa kun on sekä sivuvaikutuksia että hyötyjä."

Terminaattoriskenaario

Tekoäly ja sitä käyttävät sovellukset ovat työkaluja, joita voidaan käyttää niin hyvään kuin pahaankin. Kaski painottaa, että suurin riski niiden suhteen onkin sama kuin muun tekniikan kanssa, eli ihmiset käyttävät tekoälyä samalla tavalla toisiaan vastaan kuin kaikkea muutakin nykyistä tekniikkaa.

"Tekoälystä voi olla todella paljon hyötyä ja haittaa, ja siksi eettisiä kysymyksiä pitää pohtia yhdessä demokraattisen yhteiskunnan kehittymisen mukana. Pitää olla tutkijoita, jotka pohtivat kauhukuvia, jotta niiden riski saadaan minimoitua. Mutta silti mielestäni keskitymme liikaa näihin terminaattoriskenaarioihin, joissa tekoälyrobotit ottavat vallan. Se riski on periaatteessa olemassa, mutta mielestäni paljon pienempi kuin moni muu yhteiskunnallinen riski. Siksi voisimme keskustella enemmän siitä, miten tekoälyn avulla voitaisiin tehdä töitä ja ratkoa polttavia ongelmia tehokkaammin ja paremmin."

Tämä on myös yhteiskunnallinen asia, sillä edessä on joka tapauksessa suuria muutoksia, kun monet perinteiset työtehtävät eivät ole enää tarpeellisia. Kasken mukaan varsin harvat ammatit ovat vaarassa kadota kokonaan, mutta suurimmassa osassa ammateista työtehtävät muuttuvat.

"Näin on käynyt aikaisemminkin! Kun kirjoitustaito keksittiin, niin käytännössä kaikki silloiset työtehtävät joutuivat ottamaan huomioon sen, että nyt asioita voidaan kirjoittaa muistiin ja tietoja voidaan jakaa muille. Tekoälyn vaikutukset ovat vain nopeampia. Niiden myötä yhteiskunnasta voi tulla tasa-arvoisempi tai epätasa-arvoisempi. Näistä pitää sitten poliittisesti valita."

Ideoita ei saa vain suihkussa

Kaski on ollut – ja varmasti edelleenkin on – kiinnostunut monista hyvinkin eri asioista, mutta hän kehottaa kaikkia keskittymään olennaiseen.

"Minun alani on menetelmien kehitys, ja sen siunaus ja kirous on se, että hyvä menetelmä on sovellettavissa moneen eri tehtävään. Se tarkoittaa sitä, että pitää kehittää sekä teoriaa että tehdä käytännön sovelluksia, joille on tarvetta erittäin monilla aloilla."

Hän kertoo valinneensa sovellusalueita sen mukaan, missä on ollut kiinnostavia yhteistyökuvioita. Viime aikoina näitä on ollut varsin paljon lääketieteessä, missä esimerkiksi genomiikka tarjoaa nyt paljon uutta tietoa tekoälyn purtavaksi ja tuottaa uusia, jänniä sovelluksia.

"On todella tärkeää, että meillä on tiedeyhteisö, missä on mahdollista törmätä kollegoihin, joilla on ihan uudenlaisia ajatuksia, jotka ovat yhteensopivia oman tutkimuksesi kanssa. Näistä syntyvät uudet innovaatiot. Uudet ideat saattavat tulla noin vain suihkussa ollessa, mutta yleensä sitä on edeltänyt se, että on puhunut oikeista asioista sopivaan aikaan juuri sopivien ihmisten kanssa."

*

Juttu ja video on julkaistu myös Suomen akatemian sivuilla. Ne on tehnyt Tiedetuubin Jari Mäkinen.

Tiedetuubin klubi Metsähovissa

Metsähovin radioteleskooppi
Metsähovin radioteleskooppi
Gravimetri

Vuoden 2016 ensimmäisen klubivierailun kohteeksi valikoitui Metsähovi. Yhdellä iskulla saatiin kaksi kärpästä, sillä pääsimme tutustumaan sekä Aalto-yliopiston radiotutkimusasemaan että Maanmittauslaitoksen paikkatietokeskuksen geodeettiseen perusasemaan: toisessa katsellaan ylöspäin, toisessa myös alaspäin

Metsähovin radiotutkimusasemalla tutkitaan sekä läheisiä että hyvin kaukaisia kohteita. Aurinkoa seurataan 1,8-metrisellä radioteleskoopilla auringonnoususta auringonlaskuun, ja jos havaitaan jotakin yllättävää, päähavaintolaite eli 13,7-metrinen teleskooppi käännetään kohti Aurinkoa tarkempien havaintojen tekemiseksi.

Poikkeuksellista onkin, että näin isolla radioteleskoopilla voidaan tehdä aurinkohavaintoja. Tämän kokoluokan teleskoopit ovat usein taivasalla, joten niitä ei voi suunnata suoraan kohti Aurinkoa: lautasantenni keskittäisi säteilyn vastaanottimiin – kuten sen kuuluukin tehdä – mutta Auringon tapauksessa kuumuus sulattaisi ne. Metsähovin iso teleskooppi on kuitenkin suuren kuvun sisällä, joten sitä vaaraa ei ole. 

Aurinko on taivaalla niin kookas kohde, että radioteleskoopin keila kattaa siitä vain pienen palasen. Siksi havaintoja tehtäessä Auringon kiekko ikään kuin skannataan, jolloin siitä saadaan muodostettua kuva. Aiemmin siihen meni aikaa muutama minuutti, joten kovin nopeita ilmiöitä ei pystytty rekisteröimään. Viimekeväistä auringonpimennystä varten järjestelmää kehitettiin siten, että kuvan saa muodostettua noin minuutissa.

Metsähovin radiotutkimusasema on mukana myös kansainvälisessä yhteistyössä, jossa havaintoja pystytään tekemään maapallon kokoisella virtuaaliteleskoopilla. Kun eri puolilla maailmaa olevien radioteleskooppien havainnot yhdistetään, päästään tarkkuuteen, joka vastaa halkaisijaltaan laitimmaisten antennien välimatkan kokoista teleskooppia. 

Eikä tässä vielä kaikki. Kun mukaan otetaan avaruudessa oleva RadioAstron-satelliitti, saadaan aikaan todellista pitkäkantainterferometriaa: järjestelmän erotuskyky on parhaimmillaan yhtä hyvä kuin 300 000 kilometrin läpimittaisella yksittäisellä teleskoopilla. Radioalueella päästään siten huimasti parempaan erotuskykyyn kuin optisella.

Ja se on keskeistä tutkittaessa esimerkiksi kvasaareja. Optisella alueella voidaan tutkia esimerkiksi monissa kvasaareissa esiintyviä suihkuja ja niiden rakennetta melko yksityiskohtaisesti, mutta radiopuolella erotuskyky riittää jopa kvasaarina loimottavan galaksin keskuksessa olevan supermassiivisen mustan aukon lähiympäristön tarkkailuun.

Vaikka pilvet ja päivänvalo eivät haittaa radioalueen havaintoja, vesisateella havaintoja ei tehdä. Sää ei tällä kertaa suosinut klubilaisiakaan, sillä sateessa ja pimentyneessä illassa ulkosalla olevat mittalaitteet jäivät näkemättä. Saimme kuitenkin kutsun tulla visiitille uudemman kerran, sellaisena vuodenaikana, että valoa on enemmän ja sadetta – toivottavasti – vähemmän.

Gravimetri

Geodeettisella asemalla keskeinen tutkimuskohde on Maa. Gravimetreillä mitataan painovoimaa sellaisella tarkkuudella, että päiväkirjaan oli merkittävä käyntimme, jotta kukaan ei ala hämmästellä mittaustiedoissa näkyviä poikkeamia. Niillä voidaan tehdä myös työajanseurantaa. Seinällä on muistutuksena käyrä, josta näkyy, miten taannoinen lumenpudotus katolta on edennyt. Kun lumikuorma siirtyy mittalaitteiden yläpuolelta rakennuksen seinustalle, painovoimassa tapahtuu selvä muutos. Siis huippuherkkien instrumenttien näkökulmasta.

Maan keskipisteen paikkaa on myös seurattava tarkoin, jotta gps-järjestelmän tarkkuus saadaan halutulle tasolle. Vaikka maankamara tuntuu tukevalta, maapallon muodossa ja merenpinnan korkeudessa tapahtuu jatkuvasti muutoksia. Keskipiste liikkuu keskimäärin noin nyrkin kokoisella alueella ja sitä pystytään seuraamaan tarkasti täältä pinnalta käsin, liki 6 500 kilometrin etäisyydeltä.

Kiinnostavana yksityiskohtana saimme kuulla vuoden 2004 tapaninpäivänä tapahtuneen voimakkaan maanjäristyksen seurauksista. Tuhoisan tsunamin aiheuttaneen järistyksen seurauksena maapallon sisään syntyi seisova aalto, joka kahdenkymmenen minuutin jaksoissa sai maanpinnan Metsähovissakin nousemaan ja laskemaan millimetrin kahdessadasosan verran. Ilmiö oli pitkäaikainen, sillä aaltoilu jatkui seuraavan vuoden toukokuuhun saakka. 

Asemalta katsotaan ylöspäin satelliitteihin. Laserilla varustetulla kaukoputkella on tarkkailtu satelliittien liikkeitä vuodesta 1978 lähtien. Satelliitissa olevaan prismaheijastimeen "ammutaan" lasersäde, jonka paluuaika havaitaan ja mitataan kaukoputken avulla. Näin saadaan laskettua satelliitin kulloinenkin korkeus ja tarkka rata, mikä on erityisen tärkeää navigointi- ja tutkimussatelliittien kannalta. 

Jatkuvassa käytössä olevien mittalaitteiden lisäksi pääsimme tutustumaan uusiin instrumentteihin ja tuleviin suunnitelmiin. Vanha satelliittilaser korvataan uudella, monin verroin tehokkaammalla ja käytännöllisemmällä kaukoputkella. Asennustyö on vielä kesken, joten kaukoputki jökötti paikallaan, mutta kun se on tositoimessa, kupolin alle ei välttämättä parane mennä, sillä teleskooppi kääntyilee pikavauhtia kohteesta toiseen.

Muutaman vuoden sisällä asemalle nousee myös 12-metrinen radioteleskooppi. Tällä hetkellä geodeettisia havaintoja tehdään aika ajoin radiotutkimusaseman antennilla, mutta kun käyttöön saadaan oma teleskooppi, päästään tekemään jatkuvia havaintoja. Kaukaisten kvasaarien avulla määritetään tosiaikaisesti Maan asentoa, mikä on gps-järjestelmän toiminnan ja tarkkuuden kannalta oleellinen tieto.

Tiedetuubin klubilaiset saivat tuhdin annoksen tietoa suomalaisesta huippututkimuksesta. Kiitokset isännillemme, Joni Tammelle ja Markku Poutaselle!

100% hiilinanoputkinen mikropiiri

Hiilinanoputkia
Hiilinanoputkia

Aalto-yliopiston ja japanilaisen Nagoyan yliopiston tutkijat ovat onnistuneet valmistamaan maailman ensimmäiset täysin hiilinanoputkista koostuvat integroidut piirit, joissa kanavatransistorit ja signaalireitit perustuvat yksinomaan hiilinanoputkiin.

Professori Esko Kauppisen johtama tutkimysryhmä on käyttänyt hiilinanoputkia myös integroitujen piirien kontakti- ja johdinmateriaalina sekä akryylipohjaista eristemateriaalia kanavaeristeenä tavanomaisen oksidikalvon sijasta.

Kun piirit on vielä tehty kätevälle ja kestävälle muovipinnalle, joka on lisäksi taipuisaa. Muovialusta on myös läpinäkyvä, joten kun hiilinanoputkinen elektroniikka pystyy siirtämään sähköä paljon perinteistä elektroniikkaa paremmin, voivat uudenlaiset integroidut piirit olla taipuisia, läpinäkyviä ja hyvin suorityskykyisiä.

Integroidut hiilinanoputkipiirit voidaan myös lämpömuovata lähes mielivaltaiseen 3-ulotteiseen muotoon, mikä mahdollistaa sähköisten laitteiden sulauttamisen muovisiin tuotteisiin. Näin voidaan valmistaa esimerkiksi sähköisin toiminnallisuuksin varustettuja design-muovituotteita.

Eräs perinteisen elektroniikan hankaluuksista on ollut se, että ne pohjaavat lähes kokonaan piihin ja vastaaviin puolijohdemateriaaleihin, jotka ovat jäykkiä, hauraita ja siten huonosti muovattavissa.

Tutkimusta ovat rahoittaneet Japanin tieteenedistämisseura (JSPS), Japanin tiede- ja teknologiavirasto (JST) sekä Aalto-yliopiston MIDE- ja AEF-ohjelmat sekä Suomen Akatemia.

Suomalais-japanilaisen tutkimuksen tulokset julkaistiin elokuussa Nature Communications -lehdessä ilmestyneessä artikkelissa Mouldable all-carbon integrated circuits. Tämä teksti perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.

Muovielektroniikkka oli ehdolla myös vuoden 2010 Millennium-palkinnoksi, kun Cambridgen yliopiston proferssori Richard Friend oli ehdolla palkinnon saajaksi. Asiasta enemmän on hänen työstään kertovassa, alle liitetyssä videossa.

Verisuonia 3D-tulostimella

3D-tulostettu verisuoni, Kuva: Aalto
3D-tulostettu verisuoni, Kuva: Aalto

3D-tulostus kehittyy kovaa vauhtia ja siitä puhutaan – aiheestakin – joka puolella, koska sillä on suuret mahdollisuudet. Tekniikalla voi pian myös tulostaa verisuonia ja kudoksia ihmisille.

Aalto-yliopiston Kemian tekniikan korkeakoulu ja BIT-tutkimuskeskus ovat mukana tutkimuksessa, jonka tavoitteena valmistaa verisuonitettua keinoihoa 3D-tulostimilla. Ensisijaisesti keinoihoa on tarkoitus käyttää apuna farmasia- ja kosmetiikkateollisuudessa korvaamaan eläinkokeita, mutta sen avulla voidaan myös kasvattaa ihoa palovammojen ja niistä aiheutuneiden traumojen hoitoihin.

Keinokudokset koostuvat polymeereistä, ja tavoitteena on kehittää mahdollisimman lähelle ihon ominaisuuksia ja koostumusta olevia biopolymeerejä. Hankalinta on saada materiaalihin juuri halutunlaiset ominaisuudet, koska samalla niiden tulee olla nestemäisiä tai helposti nesteytyviä ja myös nopeasti kovettuvia, jotta niitä voitaisiin käyttää 3D-tulostimissa raaka-aineena. Lisäksi niistä valmistetun kudoksen on oltava elastinen ja sovelluttava elimistöön.

Aalto-yliopistossa materiaaleja koskevan työpaketin vetäjä on akatemiaprofessori Jukka Seppälä.

Tutkimuksessa on mukana myös Minna Malin biotekniikan ja kemian tekniikan laitokselta. "Kehitettävät materiaalit jaetaan kolmeen pääryhmään, joita ovat valon vaikutuksesta kovettuvat polymeerit, lämmön tai paineen avulla työstettävät termoplastit sekä hydrogeelit", kertoo Malin. "Jokaisella on oma roolinsa suunnitellussa kudosmallissa."

Aalto-yliopiston BIT-tutkimuskeskuksessa valmistetaan polymeeristä alkuperäisiä kudoksia tai verisuonia muistuttava kudosmalli 3D-tulostustekniikalla. Halkaisijaltaan sata mikrometriä olevat suonet tehdään periaatteessa yksinkertaisella mustesuihkutekniikalla ja sitä pienemmät hiussuonet korkean resoluution kaksifotonilaser-tekniikalla.

Sen jälkeen verisuonirakenne ympäröidään hydrogeelillä ja nanokuiduista muodostetulla verkkorakenteella, jotka toimivat erityyppisten solujen kasvualustoina. Hienovarainen ja vaikeasti toteuttettava versiuonirakenne on tärkeää, jotta keinoiho saa ravinteita ja voi hoitaa aineenvaihduntansa normaalin ihon tapaan.

BIT-tutkimuskeskuksessa työtä vetää keskuksen johtaja Jouni Partanen, joka on maailman johtavia 3D-tekniikoiden kehittäjiä.

Keinokudosten 3D-tulostushanke on alkanut vuonna 2011 ja sen on määrä päättyä lokakuussa 2015. Monitieteellisessä hankkeessa on mukana kaikkiaan 16 osapuolta Euroopasta. Aalto-yliopisto osallistuu yhteensä viiteen projektiin kuuluvaan työpakettiin. Aalto-yliopiston suurin rooli on uusien materiaalien kehittämisessä, karakterisoinnissa ja suonimallitiedostojen luomisessa.

Projekti kuuluu ArtiVasc 3D -nimiseen tutkimusohjelmaan, joka on osa EU:n 7. puiteohjelmaa.

Juttu perustuu Aalto-yliopiston tiedoteeseen Keinotekoisia verisuonia ja kudoksia 3D-tulostimen avulla.

Nanoaurinkokennojen hyötysuhde-ennätys Suomeen

Aalto-yliopiston tutkijat ovat saavuttaneet korkeimman nanorakenteisille aurinkokennoille koskaan raportoidun 18,7% hyötysuhteen, ja tutkijaryhmä uskoo, että he voivat rikkoa pian 20%:n maagisen rajan.

Ennätysaurinkopaneelit ovat nanorakenteisia aurinkokennoja, joiden pinta on mustaa piitä. Siitä tehty pinta heijastaa valoa hyvin vähän, joten suurempi osa auringon säteilystä saadaan hyödynnettyä.

Pintojen ns. passivointi, eli heijastuskyvyn heikentäminen nanorakenteissa on hyvin haastavaa. Tutkijaryhmä onnistui siinä rakentamalla tyhjökammiossa piin pinnalle atomikerroksia säilyttäen samalla piin pinnan erinomaiset rakenteelliset optiset ominaisuudet.

Edellisen 18,2 % hyötysuhde-ennätyksen haltija, Yhdysvaltain energiaministeriön alaisen uusiutuvien energiamuotojen laboratorio (National Renewable Energy Laboratory, NREL) oli käyttänyt passivointikerroksena termistä piidioksidia, eli hieman yksinkertaisempaa pinnoitusmenetelmää.

Aalto-yliopiston tutkijat saavuttivat uuden ennätyksen yhdessä saksalaisen Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems -tutkimuslaitoksen kanssa. Suomalaisryhmää on johtanut apulaisprofessori Hele Savin Aalto-yliopistosta.

Tutkijat esittelivät tuloksensa viime viikolla SiliconPV-konferenssissa (3rd International Conference on Crystalline Silicon Photovoltaics) pidetyssä esitelmässä “Passivation of Black Silicon Boron Emitters with ALD Al2O3”. Tutkimuksen tekijät ovat Päivikki Repo, Jan Benick ,Ville Vähänissi, Guillaume von Gastrow, Jonas Schön, Bernd Steinhauser, Martin C. Schubert ja Hele Savin.

Artikkeli perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen Suomalaistutkijoille nanorakenteisen aurinkokennon hyötysuhteen maailmanennätys.

Kuva: Dennis Schroeder / NREL

Lähes täydellinen maailmankaikkeus?

Tätä päivää on odotettu: Planck-satelliitin havainnoista tehty kartta kosmisesta taustasäteilystä julkistettiin. Suomalaiset tutkijat ja teollisuus ovat mukana tässä perimmäisten kysymysten äärille menevässä Euroopan avaruusjärjestön hankkeessa.

Planck-avaruusteleskoopin 15,5 kuukauden aikana tekemiin mittauksiin perustuva kartta nuoresta maailmankaikkeudesta on ikään kuin kuva alkuräjähdyksestä. Täsmälleen ottaen se on kuva kaikkialta tähtitaivaalta tulevasta säteilystä, joka on universumimme vanhinta valoa, joka syntyi kun maailmankaikkeus oli vain 380 000 vuoden ikäinen. Avaruuden täytti silloin tähtien ja galaksien sijaan kuuma protonien, elektronien ja fotonien puuro, jonka lämpötila oli 2700 celsiusastetta. Kun protonit ja elektronit yhdistyivät vetyatomeiksi, valo pääsi kulkemaan vapaasti. Se on muuttunut avaruuden laajentuessa mikroaaltosäteilyksi, jonka lämpötila on nyt vain 2,7 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolella.

Koska nyt tämä säteily näyttää tulevan joka puolelta taivasta, kutsutaan sitä myös taivaan taustasäteilyksi tai kolmen kelvinin säteilyksi, koska 2,7 astetta nollan yläpuolella on liki kolme kelviniä.

Kiinnostavinta tässä kartassa ovat pienenpienet vaihtelut, lievästi kuumemmat ja kylmemmät kohdat, jotka kertovat varhaisen maailmankaikkeuden rakenteesta. Kosmologian standardimallin mukaan nämä tiheysvaihtelut syntyivät alkuräjähdyksen alkuvaiheessa satunnaisina värähtelyinä ja laajenivat tähtitieteelliseen mittaan inflaatioksi kutsutussa lyhytaikaisessa, mutta rajussa kiihtyvän laajenemisen vaiheessa. Sittemmin nämä pienet eroavaisuudet saivat aikaan suuria maailmankaikkeuden rakenteita, joita voidaan nyt havaita mm. galaksijoukkoina, galakseina ja jopa yksittäisinä tähtinä.

Taivaan taustasäteilyä on kartoitettu aikaisemminkin, mutta tänään julkaistu kuva on huomattavasti aikaisempia mittauksia tarkempi. Julkaistu kartta on lähes täydellisessä sopusoinnussa maailmankaikkeuden rakennetta kuvaavan kosmologian standardimallin kanssa, mutta tutkijoiden harmiksi siinä on muutamia kummallisuuksia.

Viisi kosmista vakiota

Sinällään malli on yksinkertainen, sillä siinä kaikkeuden kuvaamiseen tarvitaan vain viisi lukua, joita kutsutaan kosmologisiksi parametreiksi. Uusi kartta määrittää nämä perusluvut aiempaa tarkemmin.

Ensimmäiset kolme lukua tulevat siitä, mikä on arviomme maailmankaikkeuden koostumuksesta: Planckin tuoreiden tietojen mukaan tavallista ainetta, josta tähdet ja galaksit muodostuvat, on 4,9 % maailmankaikkeuden aine- ja energiatiheydestä. Pimeää ainetta, jonka toistaiseksi pystymme havaitsemaan vain sen painovoiman vaikutuksesta, on 26,8 %, eli liki viidennes enemmän kuin aiemmin arvioitiin.

Vastaavasti pimeää energiaa, toistaiseksi varsin tuntematonta voimakenttää, jonka uskotaan olevan vastuussa universumin laajenemisen nykyisestä kiihtymisestä, on aiempaa arvioitua vähemmän.

Niin sanottu Hubblen vakio, maailmankaikkeuden nykyinen laajenemisnopeus, ei sen sijaan ole kosmologinen vakio, koska se määräytyy aineen kokonaismäärästä ja avaruuden geometriasta. Se oletetaan nykyisessä standardimallissa keskimäärin laakeaksi siten, että paikallista avaruuden kaarevuutta on eri suuntiin keskimäärin yhtä paljon. Näin ollen kaarevuutta ei havaita suuressa mittakaavassa.

Hubblen vakio näyttää nyt olevan jonkin verran pienempi kuin on laskettu aiemmin: 67,15 kilometriä sekunnissa megaparsekia kohden. Parsek on tähtitieteestä käytetty pituusyksikkö, pituudeltaan 3,2616 valovuotta.

Tästä voidaan edelleen laskea maailmankaikkeuden ikä, joka näin ollen on aiemmin arvioitua hieman suurempi, 13,82 miljardia vuotta.

Kaksi viimeistä kosmologista vakiota ovat alkuperäisten tiheysvaihteluiden voimakkuus sekä indeksi, joka kuvaa sitä, miten tiheysvaihteluiden voimakkuus riippuu etäisyysskaalasta.

Näiden tiheysvaihteluiden uskotaan syntyneen alkuräjähdyksen inflaatiovaiheessa eli juuri niihin aikoihin, kun Planckin havaitsema säteily lähti liikkeelle. Osa lukuisista inflaatiota kuvaavista teorioista tuottaa myös gravitaatioaalloiksi kutsuttuja avaruuden värähtelyjä, jotka voivat näkyä kosmisessa taustasäteilyssä. Planckin tiedoista odotettiin vahvistusta myös gravitaatioaaltojen olemassaololle, mutta niitä ei havaittu: tämäkin tosin on hyvin kiinnostava tieto.

Anomalioita?

Tuore taustasäteilykartta on myös osittain ristiriidassa nykyisen kosmologian standardimallin kanssa, sillä sen mukaan lämpötilanvaihteluiden pitäisi olla samanlaisia kaikkialla, mutta Planckin mukaan ne ovat toisella puolella taivasta voimakkaampia kuin toisella. Taivaalla on siis suuri liian kylmä alue.

Näitä outouksia havaittiin jo aikaisemmin, mutta niiden oletettiin olevan virhehavaintoja. Koska nyt Planck kertoo samaa – ja vielä selvemmin – on kyse selvästi aidosta ja oikeasta havainnosta. Siksi näille poikkeamille pitää nyt löytää selitys, joka liittyy maailmankaikkeuden ominaisuuksiin kaikista suurimmilla etäisyysskaaloilla.

Eräs mahdollisista selityksistä on se, että säteily ei tulekaan suoraan havaittavaksemme maailmankaikkeuden alusta, vaan eri puolilta taivasta tuleva säteily olisi tullut erilaista tietä.

“Tarkoituksemme on luonnollisesti rakentaa sellainen uusi teoria, että se ennustaa hyvin havaitut anomaliat ja yhdistää ne muihin havaintoihin”, sanoo George Efstathiou, Planck-hankkeessa alusta alkaen mukana ollut kosmologi Cambridgen yliopistosta. “Mutta emme tiedä vielä miten se onnistuu ja kuinka paljon tarvitsemme aivan uutta fysiikkaa. Tämä on erittäin kiinnostavaa!”

Kuin suuri lämpömittari

Taivaan taustasäteilyn mittaaminen on periaatteessa yksinkertaista, sillä siihen tarvitaan vain erittäin tarkka vastaanotin. Se mittaa joka puolelta taivasta kunkin taivaankohdan lähettämän taustasäteilyn aallonpituuden. Tämä puolestaan vastaa tietyssä lämpötilassa olevaa mustaa kappaletta, joten tuloksena on ikään kuin koko taivaan lämpötilakartta.

Käytännössä mittaaminen on sitä hankalampaa, mitä tarkemmin mittaus halutaan tehdä. Siksi vastaanottimet ja niihin taivaalta säteilyä keräävät peilit suojataan hyvin ja itse vastaanottimet jäähdytetään hyvin alhaiseen lämpötilaan, Planckin tapauksessa 100 millikelvinin lämpötilaan.

Yhden vastaanottimen sijaan Planckissa on koko joukko vastaanottimia, jotka on jaettu kahteen päähavaintolaitteeseen. Ne on nimetty mielikuvituksellisesti lyhenteillä LFI ja HFI, eli Low Frequency Instrument (matalataajuushavaintolaite) ja High Frequency Instrument (korkeataajuushavaintolaite).

Mikroaaltosäteilyä kerätään taivaalta puolitoistametrisellä lautasantennilla, jota tosin pintatarkkuutensa puolesta voisi kutsua myös peiliksi. Se heijastaa säteet apupeiliin, joka suuntaa ne polttopisteeseen kerättyyn aaltoputkien patteriin. Mikroaaltovastaanottimissa antennin virkaa hoitavat aaltoputket, pieniltä torvilta näyttävät metallisuppilot, jotka on asetettu urkupillien tapaan sisäkkäisiin kehiin peilin polttopisteeseen.

Kunkin putken takana on vahvistin, mistä signaali johdetaan noin metrin pituisilla aaltoputkilla ns. takapäähän, missä se jälleen vahvistetaan, integroidaan, digitoidaan ja sitä verrataan tarkasti tunnettuun neljän kelvinin vertailusignaaliin. Kun vertailusignaalista vähennetään taivaalta saatu signaali, on tulos taivaan lämpötila. Se lähetetään Maahan tutkimuksia varten. Havaittavat mikroaaltotaajuudet kattavat alueen 25 GHz:stä aina tuhanteen gigahertsiin.

Kun Planck on lopulta avaruudessa akselinsa ympäri pyöriessään ja hitaasti kääntyessään saanut skannattua koko taivaan, on tuloksena sellaisenaan täysin käyttökelvoton kartta. Heikkoon taustasäteilysignaaliin on sekoittunut kaikkien avaruudessa olevien kappaleiden lähettämää mikroaaltosäteilyä, joten kartasta pitää siivota pois tähtien, planeettojen, komeettojen, kaasusumujen, galaksien ja muiden fysikaalisten otusten lähettämä mikroaaltosäteily. Niistä kiinnostuneille tähtitieteilijöille Planckin havainnoista on myös iloa, mutta kosmologi odottaa eteensä tietoa kaiken roskan alta paljastuvasta heikosta kuviosta.

Taustasäteily on niin heikkoa, että laskennallisesti Planck saa toimia 2,5 miljoonaa vuotta saadakseen havaittua saman energian kuin tavallinen 60 watin lamppu lähettää ympärilleen palaessaan sekunnin.

Käytännössä kuitenkin Planck toiminee enää tämän vuoden elokuuhun asti, jolloin koossa on neljän vuoden havaintoaineisto. Sitä parempia tuloksia ei oletettavasti saada, vaikka lentoa jatkettaisiin, joten Planck laitetaan silloin eläkkeelle (siis sammutetaan).

Seuraavan kerran Planckin tuloksia on tarkoitus julkaista vuonna 2014. Tällöin odotetaan tuloksia myös taustasäteilyn polarisaatiosta, jossa inflaation tuottamat gravitaatioaallot näkyisivät erityisen hyvin. Ainakin toivottavasti.

Suomi voimakkaasti mukana

Planckin matalataajuusinstrumentin tulitikkuaskin kokoiset 70 GHz:n vastaanottimet, joita satelliitissa on kaikkiaan 12 kappaletta, on tehty Suomessa. Niiden suunnittelusta ja rakentamisesta ovat vastanneet VTT Tietotekniikan MilliLab, Ylinen Electronics Oy (nykyinen DA-Design Oy) ja Aalto-yliopiston Metsähovin radiotutkimusasema.

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen kosmologian tutkimusryhmä on keskeisissä tehtävissä puolestaan saatujen tietojen käsittelyssä, sillä heidän tehtävänään on koostaa havainnoista säteilyn eri aallonpituuksia vastaavia taivaan karttoja. Kartat laaditaan ensin erikseen kullekin Planckin yhdeksästä taajuuskaistasta. Kosmisen taustasäteilyn kartta saadaan yhdistämällä nämä yhdeksän karttaa siten, että muiden mikroaaltolähteiden, kuten oman galaksimme säteilyn, vaikutus saadaan poistettua. Akatemiatutkija Elina Keihänen opiskelijoineen on vastannut kolmen alimman taajuuskaistan karttojen laatimisesta. Ryhmä osallistui myös kosmologisten parametrien määrittämiseen taustasäteilykartasta. Tutkijatohtori Jussi Väliviita opiskelijoineen keskittyi isokurvatuurimalleihin.

Suomessa Planckin tietoja käytetään tutkimuksessa hyväksi myös Tuorlan Observatoriossa sekä Metsähovin radiotutkimusasemalla.

Katso video kartan julkistustilaisuudesta täältä: Planck's Cosmic Microwave Background map Media Briefing.