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. Yksikköä johtaa Helsingin yliopisto ja mukana ovat myös Aalto-yliopisto, Turun yliopisto ja Ilmatieteen laitos. 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 tieteellistä instrumenttia: lähiavaruuden säteily-ympäristöä tutkivaa PATE-hiukkasteleskooppia sekä uuden radaltapoistotekniikan mahdollistavaa 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.

Maata ympäröi kaksi erillistä korkean säteilyintensiteetin vyöhykettä, joista sisemmässä on protoneja ja ulommassa elektroneja. Protonivyöhyke on suhteellisen vakaa, mutta elektronivyöhyke on jatkuvassa myllerryksessä. Tämä johtuu siitä, että hiukkasia loukussa pitävä Maan magneettikenttä sijaitsee kauempana planeetasta ja on siksi huomattavasti alttiimpi aurinkotuulen häiriöille.

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

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. Mittaustuloksen avulla voimme jatkossa laskea, kuinka pitkä plasmajarrulieka tarvitaan, jos satelliitti halutaan tuoda alas tietyssä ajassa. Lisäksi tarvitaan tieto satelliitin massasta ja sen ratakorkeudesta."

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.

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.