Foresail-1 on Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikön ensimmäinen satelliitti. Huippuyksikkö tutkii avaruuden olosuhteita tavoitteenaan kehittää entistä kestävämpiä piensatelliitteja, jotka eivät muutu avaruusromuksi. Turun yliopistossa kehitetty PATE-hiukkasteleskooppi on Foresail-1-satelliitin päähyötykuorma.
Satelliitti on rakennettu osana Suomen Akatemian rahoittamaa Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikköä. Yksikköä johtaa Helsingin yliopisto ja mukana ovat 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.
Turun yliopistossa kehitetty hiukkasteleskooppi 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 vuot vaihtelevat ajassa valtavasti erilaisten hiukkaskiihdytys- ja -häviömekanismien seurauksena. PATE-instrumentin tavoitteena on mitata aiempaa selvästi tarkemmin sitä, miten elektronit poistuvat säteilyvöistä ilmakehään. Tavoitteena on myös demonstroida Auringon suurienergiaisten neutraalien hiukkasten mittaaminen Maan kiertoradalta, 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.
Instrumentin kehityshanketta toteutetaan Fysiikan ja tähtitieteen laitoksen sekä Tietotekniikan laitoksen yhteisen monitieteisen tutkijaryhmän voimin.
Rami Vainio ja Philippe Oleynik pohtivat, että projektin suurin haaste on ollut kehittää uusi instrumentti poikkeuksellisen tiukassa aikataulussa.
– Tavallisesti uuden avaruuslaitteen kehittämisen aikajänne on noin kymmenen vuotta. Käytössämme ollut 3,5 vuotta on todella lyhyt aika uuden avaruusinstrumentin kehittämiselle, mutta olemme onnistuneet tekemään paljon lyhyessä ajassa.
Hiukkassäteilyä on avaruudessa mitattu ennenkin, mutta alkeellisemmilla instrumenteilla. Hiukkasteleskooppi PATE kehitettiin aikaisempia instrumentteja moninkertaisesti tehokkaammaksi.
– Aikaisemmassa RADMON-säteilymonitorissa, jonka kehitimme Suomen ensimmäiseen satelliittiin Aalto-1:seen, pii-anturin halkaisija oli 2 mm, kun nyt suurimman anturin halkaisija instrumentissa on 23 mm. Nyt kehittämämme anturit ovat kymmenen kertaa aikaisempaa suuremmat, Risto Punkkinen sanoo.
Avaruuteen matkaavan instrumentin on oltava sekä tehokas että kestävä. Haasteena on ollut tehokkaiden anturien rakentaminen niin, että niiden mittaustarkkuutta häiritsevä vuotovirta saadaan minimoitua ja samalla instrumentista tehtyä niin luja, että se kestää raketin laukaisussa siihen kohdistuvat voimat sekä avaruuden ankarat lämmön vaihtelut.
Kehitystyö on edellyttänyt lukemattomia työvaiheita, joissa eri tavoin rakennettuja ja koottuja instrumentin osia on testattu ja paranneltu.
– Hyväksyttävänä vuotovirran rajana olemme pitäneet 100 nanoampeeria, eli sataa ampeerin miljardisosaa. Miljoonasosa ampeerista, eli mikroampeeri, on jo liikaa. Vuotovirtaa voi aiheutua esimerkiksi huonosta liimauksesta tai epätasaisesta sahauksesta. Kappaleita on sahattu 30 mikrometrin paksuisella timanttiterällä ja liimauksessa on käytetty avaruuden olosuhteet kestävää erikoisliimaa, jonka levittäminen on tehtävä todella tarkasti, tai mittaustulos voi mennä pilalle, anturia rakentanut tutkimusavustaja Tatu Peltola kuvailee työn vaatimaa tarkkuutta.
– Instrumentille tehtiin lujuuslaskelmia ja tärinäanalyysejä pohjautuen avaruusjärjestöjen ja laukaisijoiden julkaisemiin tietoihin siitä, millaisia rasituksia instrumentin pitää laukaisussa kestää. Lopulta instrumentti kvalifioidaan rasitustestissä ja PATE:enkin jouduttiin ensimmäisen testikerran jälkeen tekemään suunnittelumuutoksia. Paransimme esimerkiksi instrumentin integrointia satelliittiin ja lisäsimme varmuusvaraa, jotta instrumentti kestää laukaisun, Pasi Virtanen sanoo.
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.
