Avaruus maapallon ympärillä on tukkeutumassa romusta – suomalaistutkijoilla voi olla kaksi ratkaisua

Avaruuden kestävän käytön tutkijat selvittävät, miten satelliitit pysyisivät hengissä nykyistä pitempään ja miten ne kuoltuaan tuotaisiin pois aiheuttamasta vaaraa.

avaruusromu
Piirroskuva leimahduksesta, joka repii satelliitin kahtia ja sinkoaa romua ympäristöön. Taistalla häämöttää maapallo.
Avaruusromua syntyy muun muassa näin. Taiteilijan näkemys satelliitin polttoainetankin räjähdyksestä. Esa

Poissa silmistä, poissa mielestä.

Sillä ajatuksella ihmiskunta on viime vuosikymmeninä onnistunut saastuttamaan meren muovilla ja ilmakehän kasvihuonekaasuilla – ja planeettamme ympäristön avaruusromulla.

Avaruuteen on lauottu maapallolta tavaraa kuuden vuosikymmenen ajan. Planeettamme ympärillä viuhtoo vinhaa vauhtia jo aikamoinen kaatopaikka, ja lisää uhkaa tulla.

Elämänmenomme perustuu yhä enemmän satelliitteihin, mutta kuinka kauan niitä mahtuu turvallisesti romun sekaan?

Suurimpana romuna avaruudessa rapautuu yli kolme tuhatta toimintansa lopettanutta satelliittia. Viime viikolla Intia näytti sotilasmahtiaan hajottamalla yhden omistaan ohjuksella.

Ohjuksista ei ole ratkaisuksi, sillä rikki räsäytetyn satelliitin sirpaleet lähtevät omille teilleen aiheuttamaan lisää vaaraa. Intia vastasi arvostelijoilleen satelliitin olleen niin matalalla, että Maan vetovoima siivoaa romun pian ilmakehään, jossa se tuhoutuu.

Selitys ei kelvannut esimerkiksi Yhdysvaltain avaruushallinnolle Nasalle, joka havaitsi, että romua sinkoutui sittenkin myös poispäin Maasta. Niissä korkeuksissa on muun muassa kansainvälinen avaruusasema ISS.

Suomi panostaa romun ehkäisemiseen

Kuolleiden satelliittien kalastamiseksi on kehitteillä keinoja verkosta harppuunaan, lassosta robottivarteen, mutta sitäkin tärkeämpää on estää uuden romun synty.

Suomalaisten avaruustutkijoiden huippuyksikkö pyrkii siihen kahdella tavalla: satelliittien käyttöikää pidentämällä ja niiden hallitulla ohjaamisella ilmakehään, kun ikä on loppumassa.

Ilman uutta ajattelua ja uusia keinoja maapallon kiertoradoista tulee ennen pitkää käyttökelvottomia. Sen estäminen on kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikön tärkein tavoite, sanoo yksikköä johtava Helsingin yliopiston avaruusfysiikan professori Minna Palmroth.

Suomen Akatemian rahoittaman huippuyksikön suunnittelemista kolmesta tutkimussatelliitista ensimmäinen, Foresail-1, on jo testattavana. Se pyritään saamaan laukaisuvalmiiksi tänä vuonna, ja matkalleen sen on määrä lähteä ensi vuonna.

Viime vuonna aloittaneessa kahdeksanvuotisessa huippuyksikössä ovat Helsingin yliopiston lisäksi mukana Turun yliopisto, Aalto-yliopisto ja Ilmatieteen laitos.

Piirroskuva maapallon ympärillä pyörivästä romusta.
Tältä näyttävät tuhannet tonnit romua maapallon ympärillä. Studio Roosegaarde / Esa

Maapallon ympärillä kiertää Euroopan avaruusjärjestön Esan (siirryt toiseen palveluun) mukaan jo lähes 8 500 tuhatta tonnia romua. Toisiaan kolhiessaan kappaleet hajoavat ja romu leviää entistä laajemmalle.

Euroopan avaruusjärjestön Esan mukaan halkaisijaltaan yli sentin mittaisia romunkappaleita on noin 900 000 ja yli kymmensenttisiä 34 000. Pienimmätkin mukaan luettuna ollaan pian parissa sadassa miljoonassa.

Tilanne on juuri ja juuri hallinnassa, sanoo Minna Palmroth.

Avaruuden kaatopaikka koostuu kuolleiden satelliittien lisäksi muun muassa kantorakettien osista ja paljosta muusta isosta ja pienestä, vaikkapa avaruusasemaa korjanneen astronautin kädestä avaruuskävelyllä kimmonneesta ruuvista.

Jo millimetrin hitunen irronnutta maalipintaa on uhka kiitäessään avaruudessa yli seitsemän kilometrin sekuntivauhtia. Palmroth vertaa vaikutuksia nyrkinkokoisen kiven osumiseen auton tuulilasiin täydessä vauhdissa moottoritiellä.

Huonoimmassa tapauksessa se riittää tappamaan isohkonkin satelliitin.

Palmrothilla on toinenkin moottoritievertaus: kuollut satelliitti on kuin kuljettajaton rekka, jonka kaasu on hirttynyt kiinni. Niiden, joilla ohjaus yhä pelaa, ei auta kuin yrittää väistää.

Kahden satelliitin törmäys on jo tapahtunut: epäkuntoinen venäläinen sotilassatelliitti ja yhdysvaltalainen kommunikaatiosatelliitti kolaroivat vuonna 2009.

Säteily tappaa satelliitteja

Avaruuden säteilyolosuhteet vaikuttavat keskeisesti romun syntyyn. Mitä korkeampi rata, sitä hankalampi säteily-ympäristö. Lähes valon nopeudella kulkevat varatut hiukkaset tappavat satelliitteja.

Normaali neljän millimetrin alumiinikuori ei kykene estämään hiukkasia tunkeutumasta sisään satelliittiin ja vaurioittamasta komponentteja.

Kuorta paksuntamallakaan ongelma ei ratkea kokonaan, sillä joitakin hiukkasia vastaan kuorella on käytännössä mahdoton suojautua, sanoo Turun yliopiston avaruusfysiikan professori Rami Vainio.

Komponenttien heiketessä niiden tehonkulutus kasvaa. Samaan aikaan aurinkopaneelien tehontuotto laskee. Jossakin vaiheessa sähköä ei enää ole tarpeeksi ja satelliitti kuolee, Vainio summaa vaikutukset.

Yksittäiset säteilyhiukkaset aiheuttavat myös muun muassa muistivirheitä ja piirien ylikuumenemista, ja kun elektroneja tunkeutuu satelliitin eristekerroksiin, sieltä voi tulla sähköpurkauksia, jotka vikaannuttavat elektroniikkaa, Vainio kertoo.

Kosminen säteily vie tehoa ja tuo muistivirheitä

Yhdeksi esimerkiksi kosmisen säteilyn vaikutuksista Vainio ottaa sen, miten Euroopan ja Yhdysvaltain yhteisen suuren aurinkoluotaimen Sohon aurinkopaneelien tehontuotto on heikentynyt mission alusta eli vuodesta 1995 viime vuoden loppuun.

Tehontuotto on laskenut koko ajan, ja siinä on ollut myös jyrkkiä pudotuksia, jotka johtuvat auringon voimakkaista säteilypurkauksista.

Näin siitä huolimatta, että Sohon aurinkopaneeleissa on huippusuojaus säteilyä vastaan. Monen luotaimen paneelit olisivat kärähtäneet jo ajat sitten, Vainio sanoo.

Myös Soho muistivirheistä kertova käyrä ja kosmisen säteilyn käyrä kulkevat rinta rinnan, ja auringonpurkaukset näkyvät siinä korkeina virhepiikkeinä.

Pahaan paikkaan sattuva muistivirhe voi vikaannuttaa sähkö- tai muun kriittisen järjestelmän niin, että satelliitti jopa menetetään, Vainio kertoo.

Oranssinpunaisena leimuavasta Auringosta syöksähtävä  purkaus.
Taiteilijan näkemys auringonpurkauksesta, jonka Nasan SDO-luotain havaitsi kesällä 2012. Nasa

Pate selvittää säteilyvöiden dynamiikkaa

Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikön kaikkiin kolmeen satelliittiin tulee säteilynmittauslaite. Ensimmäisenä matkaan lähtevässä satelliitissa se on partikkeliteleskooppi Pate, jota ollaan parhaillaan rakentamassa.

Paten anturit mittaavat niihin osuvien hiukkasten laadun ja energian. Siten on määrä selvittää säteilyvöiden dynamiikasta ja Auringon hiukkaskiihdytyksestä asioita, joita nykyinen kalusto ei pysty kertomaan.

Mittausteknologia sinänsä on jo tunnettua ja koeteltua, mutta nanosatelliitilla, joka pannaan pyörimään kiertoradalla juuri oikealla tavalla, pystytään mittaamaan hiukkasvuon suuntariippuvuus, Rami Vainio selittää.

Satelliitin on tajuttava syntyneet viat

Seuraava Foresail-satelliitti suuntaakin sitten sinne pahaan säteily-ympäristöön, lennolle kaikkein vaikeimpien, erittäin nopeasti vaihtelevien säteilyolosuhteiden läpi.

Se vaatii satelliitilta älykästä suojautumista. Jos jotakin menee pieleen, satelliitin on tajuttava se ja osattava ottaa käyttöön toinen systeemi, joka tekee samaa asiaa, Vainio sanoo.

Suurimmat ongelmat tulevat hänen mukaansa juuri siitä, etteivät satelliitit tajua olevansa vikaantuneita.

Gif-kuva, jossa pyryää valkoisia pilkkuja ja juovia.
Sohon tänä keväänä kuvaama "lumipyry" on auringonpurkauksen hiukkaspommitusta. Esa / Nasa / Soho

Haasteesta tulee jännittävä myös siksi, että ankarimpien säteilyvöiden lävitse ei ole koskaan ennen lennetty yhtä pienellä satelliitilla, sanoo Aalto-yliopiston avaruustekniikan ja kaukokartoituksen apulaisprofessori Jaan Praks.

Säteilypommitus on sellaista, etteivät edes satojen miljoonien eurojen satelliitit pysy kauan hengissä, vaikka niitä voi verrata panssarivaunuihin ja huippuyksikön kehittämiä satelliitteja polkupyöriin tai skoottereihin, lisää Rami Vainio.

Jos nanosatelliitit saadaan selviämään noiden vöiden lävitse, sellaisella tekniikalla pystytään olemaan lähikiertoradalla helposti vuosikymmeniä, Praks täydentää.

Suomesta tuli kaksi vuotta sitten avaruusvaltio, kun Aalto-yliopiston ensimmäinen nanosatelliitti laukaistiin Maan kiertoradalle. Viime vuonna Suomi sai myös avaruuslain säätelemään alan liiketoimintaa.

Ihmiskunnan ensimmäinen satelliitti oli Neuvostoliiton vuonna 1957 laukaisema Sputnik. Kylmän sodan aikana avaruuteen ammuttiin noin 150 satelliittia vuodessa.

2000-luvun alussa keksittiin nanosatelliitit, joilla on kokoa maitopurkin verran. Toissa ja viime vuonna laukaistujen satelliittien määrässä loikattiin yhtäkkiä satoihin, luettelee Jaan Praks.

Nykyiset nanosatelliitit rakennetaan samoista komponenteista kuin kännykät, tietokoneet, autot tai vaikkapa pesukoneet. Rakentaminen on edullista, eikä rakettikyytikään maksa enää valtavasti, kun avaruuteen viedään kerralla kymmeniä tai satoja nanosatelliitteja, tulevaisuudessa ehkä tuhansia, Praks ennustaa.

Tällaisella kehityksellä on totta kai myös kestävyysongelmia, mutta samalla pienet satelliitit ovat eturintamassa avaruusromuongelmien ratkaisemisessa, Praks sanoo.

Piirroskuva satelliittia kohti laukaistusta avautuvasta verkosta.
Taiteilijan näkemys Esan piensatelliitista, jonka ampumaan verkkoon tarttuu kuollut satelliitti. Tositoimiin tällä vekottimella pyritään pääsemään ensi vuosikymmenen alkupuolella. Esa

Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikön ratkaisu itsensä avaruudesta siivoavaan satelliittiin on Ilmatieteen laitoksella kehitetty plasmajarru (siirryt toiseen palveluun). Sen ansiosta vauhti hidastuu ja satelliitti painuu yhä alemmksi, kunnes päätyy ilmakehään ja leimahtaa siellä hengiltä.

Jarru on jo testattavana Aalto-yliopiston opiskelijasatelliitissa, joka laukaistiin avaruuteen toissa vuonna. Aalto-1:n mukana lentää myös Turun yliopistossa tehty säteilymittauslaite.

Plasmajarru on ihmishiusta ohuempi pitkä johdin, johon laitetaan korkeajännite, Jaan Praks kuvailee. Tuosta lieasta tulee jarru, kun sähkökenttä alkaa vuorovaikuttaa avaruuden plasman kanssa.

Aalto-1:n liekakela ei ole rullannut toivotusti, Praks myöntää. Hän on kuitenkin yhä toiveikas, sillä kaikkia korjausvaihtoehtoja ei ole vielä kokeiltu.

Aurinkopurje antaisi huiman vauhdin

Jos jarru saadaan toimimaan, Aalto-1:n pitäisi vajota sen avulla ilmakehään muutamassa kuukaudessa. Omia aikojaan putoaminen vie pari vuotta.

Periaatteeltaan yksinkertaisella ja kustannuksiltaan edullisella plasmajarrulla on onnistuessaan kaupallista potentiaalia – etenkin jos kaikilta pieniltä satelliiteilta aletaan piankin vaatia, että ne on voitava tuoda ohjatusti alas.

Tieteellisesti koe luo pohjaa huippuyksikön kolmannen satelliitin kokeelle, jossa samaa instrumenttia testataan aurinkopurjeena.

Jos se onnistuu, suomalainen purje antaa avaruusluotaimille nopeamman vauhdin kuin yksikään ihmiskunnan tähän saakka keksimä menetelmä.

Täsmennetty 8.4.: Esan mukaan avaruusromua on miltei 8 500 tuhatta tonnia.

Lue myös:

Avaruus avautui myös pienille maille – Suomella on satelliitteja, Ruotsilla pian rakettejakin