Turkulaisten suunnittelema ja rakentama säteilymonitori avaruuteen
04.06.2015
Avaruuden vaarallisen ja haitallisen hiukkassäteilyn havaitsemiseen on luotu Turun ja Helsingin yliopistojen yhteistyönä täysin uudenlainen säteilymonitori. Sen toimivuutta testataan loppuvuodesta, kun Suomen ensimmäinen oma satelliitti, Aalto-1, laukaistaan avaruuteen.
Hannu-Pekka Hedman (vas.) ja Arttu Punkkinen olivat luomassa säteilymonitoria, joka lähetetään vuoden lopulla avaruuteen. Käytännön oloissa testaaminen todentaa laitteen toimivuuden..
RADMON-säteilymonitorin neljästä päämoduulista kolme tehtiin Turun yliopistossa, yksi Helsingin yliopistossa.
– Olemme rakentaneet säteilymonitorin, joka on nykyisin käytössä olevia huomattavasti halvempi, pienempi, kevyempi, nopeampi ja vähemmän tehoa kuluttava, Turun yliopiston kokeellisen avaruusfysiikan professori ja RADMON-hankkeen päätutkija Rami Vainio sanoo.
Laitteen toimivuus varmistetaan loppuvuodesta, kun Suomen ensimmäinen oma satelliitti laukaistaan avaruuteen. Aalto-yliopiston satelliitin hyötykuormana ovat Turun ja Helsingin yliopistojen säteilymonitorin isäksi VTT:n kehittämä spektrikamera, jolla kuvataan maan pintaa valon eri aallonpituuksilla sekä Ilmatieteen laitoksen kehittämä plasmajarru, jolla satelliitti saadaan tehtävän päätyttyä poistettua kiertoradalta ja palaamaan maan ilmakehään.
– Kaikki hyötykuormat sisältävät uutta teknologiaa, jonka toiminnan demonstrointi on hankkeen päätavoite. Meidän RADMON-säteilymonitorimme havainnoi korkeaenergiaista hiukkassäteilyä Maan kiertoradalla, Vainio sanoo.
Analogisesta digitaaliseen
RADMON koostuu hiukkasilmaisinosasta ja lukuelektroniikasta, joka laskee ilmaisimiin osuvien varattujen hiukkasten määrän sekä määrittää niiden lajin ja energian. Säteily koostuu pääosin protoneista ja elektroneista, joiden nopeudet ovat lähellä valonnopeutta.
– Laitteen innovatiivisuus on sen täysin uudenlaisessa lukuelektroniikassa, jossa ilmaisinten signaali digitoidaan ilman hidasta analogista muokkausta ja käsitellään nopean digitaalisen logiikan avulla, kuvaa Turun yliopiston informaatioteknologian laitoksella laitteen elektroniikan kehitystä johtanut lehtori Juhani Peltonen.
Uusi toimintatapa mahdollistaa laitteelle huomattavasti suuremman laskentataajuuden kuin mitä perinteisissä analogisissa pulssinkäsittelyratkaisuissa on.
Ihmisten nykyinen kyky ennustaa luotettavasti säteilyvöiden ja Auringon kiihdyttämän hiukkassäteilyn ajallisia ja paikallisia vaihteluita on vielä heikko. Siksi säteilyolosuhteita on avaruudessa monitoroitava jatkuvasti.
Avaruussäteily saattaa esimerkiksi rikkoa avaruusteknologian komponentteja sekä muuttaa satelliitin muistissa olevaa dataa. Seurauksena voi olla esimerkiksi vikaantumisia satelliitin järjestelmissä tai muutoksia kerätyssä aineistossa. Miehitetyillä lennoilla riskinä on myös säteilyn haitallisuus terveydelle.
– Säteilymonitorimme suunnittelussa on panostettu erityisesti laitteen luotettavuuteen. Sen yhtenä hienoutena on itseään korjaava logiikka, joka pystyy muuttamaan säteilyn vaikutuksesta vaihtuneen muistipaikan sisällön takaisin oikeaksi, Peltonen kertoo.
– Kun pystymme luomaan kattavan monitorointijärjestelmän, voimme havaita auringon hiukkaspurkauksen ajoissa ja ajaa laitteistoja lepotilaan, jolloin ne kestävät paremmin hiukkassäteilyä. Miehitetyillä lennoilla taas saadaan ihmiset vedettyä ajoissa suojaan, Vainio sanoo.
RADMONin mittauksia hyödynnetään myös tieteellisesti avaruuden säteilymyrskyjen tutkimuksessa. Mittausaineisto jaetaankin koko kansainvälisen tutkijayhteisön käyttöön.
Demonstroinnin jälkeen käyttöön
Tutkijoiden lisäksi projektiin on osallistunut parikymmentä opiskelijaa, heistä valtaosa Turun yliopiston informaatioteknologian laitokselta sekä fysiikan ja tähtitieteen laitokselta.
Opiskelijat ovat osallistuneet laitteen suunnitteluun, rakentamiseen ja testaamiseen. Nelivuotisen hankkeen aikana on valmistunut kymmenkunta kandidaatin ja maisterin tutkielmaa sekä diplomityötä.
– Laitteen kehittämistyössä pidempään mukana olleiden nimet on kaiverrettu mikrokirjoituksella instrumentin kanteen. Loppuvuodesta maata kiertämään lähtee siis myös koko joukko uusia nimiä, kertovat Vainio ja Peltonen.
RADMON-säteilymonitori luovutetaan kesäkuun alussa Aalto-yliopistolle integroitavaksi Suomen ensimmäiseen satelliittiin, Aalto-1:een. Nelisen kiloa painava ja kolmen litran kokoinen Aalto-1 laukaistaan avaruuteen Cape Canaveralista, Floridasta Space X -yhtiön Falcon 9 -kantoraketilla loppuvuodesta 2015.
– Meidän päätavoitteenamme on demonstroida uudenlaisen, jopa sata kertaa perinteistä nopeamman, vähän tehoa kuluttavan ja kompaktin lukuelektroniikan luotettava toiminta avaruusolosuhteissa. Tämän jälkeen sitä voidaan käyttää tulevissa tieteellisissä ja kaupallisissa avaruussäteilyn mittalaitteissa laajemminkin, Vainio sanoo.
Hankkeeseen on päävastuutahojen ohella osallistunut koko joukko alihankkijoita ja yhteistyökumppaneita, mm. Åbo Akademin ja Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratoriot, Ilmatieteen laitos, Turun ammattikorkeakoulu, Mikkelin ammattikorkeakouluun kuuluva Elektroniikan 3K-tehdas Savonlinnassa sekä turkulainen Aboa Space Research Oy.
Hanketta ovat rahoittaneet Turun ja Helsingin yliopistot, Suomalaisen Tiedeakatemian Väisälän rahasto, Magnus Ehrnroothin säätiö sekä Ulla Tuomisen säätiö.
Juhani Peltonen (vas.), Hannu-Pekka Hedman, Arttu Punkkinenm Rami Vainio ja Risto Punkkinen sekä kymmenkunta muuta turunyliopistolaista suunnitteli ja rakensi RADMON-säteilymonitorin neljästä päämoduulista kolme. Neljäs tehtiin Helsingin yliopistossa.
Teksti: Erja Hyytiäinen
Kuva: Hanna Oksanen