Kohti kestävämpää avaruustutkimusta – Foresail-1-satelliitti laukaistaan keväällä 2022

Aalto-yliopistossa on allekirjoitettu sopimus Foresail-1-satelliitin laukaisusta. Satelliitti on rakennettu osana Suomen Akatemian rahoittamaa Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikköä, jota johtaa Helsingin yliopisto yhteistyössä Aalto-yliopiston, Turun yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen kanssa.

Huippuyksikkö tutkii avaruuden olosuhteita ja kehittää tutkimuksen pohjalta entistä kestävämpiä satelliitteja, jotka eivät muutu avaruusromuksi Maan kiertoradoille.

Foresail-1-satelliitti kantaa mukanaan kahta huippuyksikön kehittämää merkittävää tieteellistä instrumenttia – lähiavaruuden säteily-ympäristöä tutkivaa PATE-hiukkasteleskooppia sekä kokeilee uutta radaltapoistotekniikkaa plasmajarrua.

”Huippuyksikkö kokoaa yhteen Suomen avaruustieteen ja -teknologian kärkiosaajat. Suomen Akatemian pitkäjänteisen rahoituksen avulla olemme luoneet Suomeen ensimmäisen tieteellisen avaruusohjelman. Tulevaisuuden tavoitteena on turvata kiertoradat huippuluokan tutkimuksen turvin sekä mullistaa kokeellinen avaruusfysiikka nanosatelliittien avulla”, huippuyksikön johtaja, professori Minna Palmroth Helsingin yliopistosta sanoo.

Satelliitin laukaisusopimus allekirjoitettiin saksalaisen EXOLaunch-yrityksen kanssa, joka välittää yhdysvaltalaisen SpaceX-yhtiön laukaisupaikkoja.

”Falcon 9 -raketissa on mukana Foresail-1:n lisäksi useita muita pieniä nanosatelliitteja. Raketti laukaistaan noin 550 kilometrin korkeudella olevalle kiertoradalle loppukeväästä 2022. Tarkemmat tiedot laukaisun ajankohdasta selviävät kevään kuluessa. Tällä hetkellä ammattilaisista ja opiskelijoista koostuva Foresail-1-tiimi keskittyy instrumenttien integrointeihin satelliittiin sekä tammikuussa tapahtuviin viimeisiin testeihin", apulaisprofessori Jaan Praks Aalto-yliopistosta kertoo.

PATE selvittää avaruuden säteilyä

Foresail-1-satelliitin tavoitteena on nostaa avaruuden säteily-ympäristön ymmärrys uudelle tasolle. Tieto auttaa kehittämään nanosatelliitteja, jotka kestävät avaruuden säteilyä entistä paremmin ja toimivat avaruudessa pidempään.

”Säteilyvyöhykkeiden relativistiset elektronit ovat erityisen vaarallisia satelliiteille, koska niiden intensiteetit vaihtelevat ajassa valtavasti erilaisten hiukkaskiihdytys- ja -häviömekanismien seurauksena”, professori Rami Vainio Turun yliopistosta kertoo.

Maa-planeettaamme ympäröi kaksi erillistä korkean säteilyintensiteetin vyöhykettä, joista sisemmässä on protoneja ja ulommassa elektroneja. Protonivyöhyke on suhteellisen vakaa, mutta elektronivyöhyke on jatkuvassa myllerryksessä, sillä hiukkasia loukussa pitävä Maan magneettikenttä on kauempana planeetasta huomattavasti alttiimpi aurinkotuulen häiriöille.

”PATE-instrumentin tavoitteena on selvittää aiempaa tarkemmin mittauksin se, miten elektronit poistuvat säteilyvyöhykkeistä ilmakehään”, Vainio jatkaa.

Turun yliopistossa kehitetty PATE-hiukkasteleskooppi on Foresail-1-satelliitin päähyötykuorma. Instrumentin kaksi hiukkasteleskooppia mittaavat avaruuden säteilystä korkeaenergiaisten hiukkasten (elektronit ja neutraalit vetyatomit) energiaa ja määrää. Korkeaenergiainen hiukkassäteily aiheuttaa avaruudessa toimiviin laitteisiin säteilyvaurioita ja lyhentää laitteiden käyttöikää. Kuva: Turun yliopisto / Arttu Punkkinen

Plasmajarru tuhoaa satelliitin ilmakehässä

Kestävinkään nanosatelliitti ei toimi ikuisesti. Toimintansa lopettaneelta nanosatelliitilta voi kulua vuosia painua ilmakehään, jossa se palaa poroksi. Ilmatieteen laitos on kehittänyt plasmajarrun, jonka avulla satelliitti voitaisiin ohjata ilmakehään jopa kahdessa kuukaudessa. Plasmajarrua on testattu jo vuonna 2017 laukaistussa Aalto-1-opiskelijasatelliitissa, ja nyt sen toimintaa on kehitetty entistä varmemmaksi.

"Plasmajarru toimii teoriassa, mutta plasmajarruvoimaa ei ole vielä mitattu avaruudessa", tutkimuspäällikkö Pekka Janhunen Ilmatieteen laitokselta kertoo.

"Plasmajarrun pitkän liekakelan avaamisen jälkeen, liekaan kytketään jännite ja mitataan syntyvä jarrutusvoima. Tuloksen avulla voimme jatkossa laskea, kuinka pitkä plasmajarrulieka tarvitaan, jos satelliitti halutaan tuoda alas tietyssä ajassa ja sen massa sekä ratakorkeus tunnetaan", Janhunen kertoo plasmajarrun kehityksestä.

Plasmajarrutekniikalla voidaan myös madaltaa satelliitin rataa haluttu määrä.

"Erityisesti tutkimus- ja sääsatelliittien kiertorata on normaalisti aurinkosynkroninen eli noin 600–800 kilometrin korkeudella. Aurinkoon nähden ratatason kiertymä pysyy paikoillaan ja näin ollen satelliitti kiertää maata päivittäin samoissa valo-olosuhteissa. Satelliitin ratakorkeuden alentamisen jälkeen satelliitti voi tehdä ylilentoja eri vuorokauden aikoina", Janhunen kertoo.

Ilmatieteen laitoksella kehitettyyn plasmajarruun kuuluu hiuksenhienosta alumiinilangasta tehty lieka, joka matkustaa avaruuteen kuvassa näkyvässä laatikossa. Plasmajarrun avulla käyttöikänsä ylittäneet satelliitit saadaan putoamaan kiertoradalta alas ilmakehään, jossa ne tuhoutuvat. Tekniikka voisi vähentää avaruusromuongelmaa, jonka suosituimmille kiertoradoille kertyvät hylätyt satelliitit muodostavat. Kuva: Ilmatieteen laitos / Petri Toivanen

Lisätietoa:

Minna Palmroth professori ja huippuyksikön johtaja, Helsingin yliopisto puh 040 5311 745 minna.palmroth@helsinki.fi

Jaan Praks (lisätiedot liittyen Foresail-1 satelliitin toimintaan ja laukaisuun) apulaisprofessori, Aalto-yliopisto puh 050 420 5827 jaan.praks@aalto.fi

Rami Vainio (lisätiedot liittyen partikkeliteleskooppi Pateen) professori, Turun yliopisto puh 040 7397 347 rami.vainio@utu.fi

Pekka Janhunen (lisätiedot plasmajarrusta) tutkimuspäällikkö, Ilmatieteen laitos 029 539 4635 pekka.janhunen@fmi.fi

Emilia Kilpua apulaisprofessori, Helsingin yliopisto 029 415 0615 emilia.kilpua@helsinki.fi

Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkö kokoaa yhteen Suomen avaruustieteen ja –teknologian ykkösosaajat ja aikoo mullistaa kokeellisen avaruusfysiikan nanosatelliittien avulla. Samalla se haluaa suojata kiertoradat niitä uhkaavalta avaruusromulta. Huippuyksikköä johtaa professori Minna Palmroth Helsingin yliopistosta ja se muodostuu Helsingin yliopiston, Aalto-yliopiston, Turun yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen tutkimusryhmistä.