ESCAPADE-tehtävän luotaimet lähtivät kohti Marsia

KAK – NASAn uusin aurinkotuulta ja sen vaikutuksia Marsin kiertoradalla havainnoivan ESCAPADE-tehtävän ^[1] kaksoisluotaimet laukaistiin avaruuteen Cape Canaveralista marraskuun 13. päivänä 22.55 Suomen aikaa. Kantorakettina oli Blue Origin yhtiön New Glen (NG-2) kantoraketti ^[2].

 

Molemmat luotaimet (Blue ja Gold) ovat rakenteeltaan identtiset. Kuva NASA.

Noin 33 minuuttia lähdön jälkeen luotaimet irrotettiin kantoraketista. Kello T+33.18 irrotettiin Blue-luotain ja 30 sekuntia myöhemmin Gold-luotain. Nimet tulevat Kalifornian yliopiston Berkeleyn koulun väreistä.  Luotaimet tulevat asettumaan aluksi Maan Lagrangen L2-pistettä kiertävälle radalle, jossa ne odottavat Maan ja Marsin asettumista sopiviin asemiin. Alkulennon aikana tutkimuslaitteet ja luotaimen lennon hallinnan laitteet tarkistetaan ja säädetään toimimaan suunnitellusti.

Varsinainen marslento alkaa vuoden kuluttua marraskuussa 2026. Silloin luotaimet ohjataan kulkemaan hyvin läheltä Maata, jolloin Oberthin efektin vaikutuksesta ne saavat lisäimpulssin planeettojen väliselle lennolle. Tällainen rata mahdollistaa mahdollisimman pienen polttoainemäärä lennon toteuttamiseen. Nykyisin tällaisia linkoratoja käytetään lähes aina planeettojenvälisten luotainten ratojen muokkaamiseen ja tarvittavan lisänopeuden hankkimiseen.

Polttoaineen säästämiseksi luotaimet odottavat sopivaa ajankohtaa Marsiin vivälle radalle Lagrangen pisteen L2 radalla. Sen jälkeen ne käyttävät linkorataa, jonka avulla luotaimet saavat lisäenergiaa maapallolta. Kuva NASA.

 

Lento Marsiin kestää 10 kuukautta, jonka aika tehdään tarvittavia ratakorjauksia (TCM), jotta luotaimet saapuisivat perille juuri oikeaan aikaan. Syyskuussa 2027 luotaimet asettuvat Marsin kiertoradalle [4]. Loka-joulukuussa rataa muutetaan hiljalleen hieman matalammalle radalla.  Toisistaan irrotetut luotaimet asettuvat aluksi samalle kiertoradalle (kesäkuu 2028) ja niiden etäisyys on lentoaikana mitattuna enintään 4 – 30 minuuttia. Rataa kutsutaan lempinimellä ”helminauha”. Kiertorata mahdollistaa aurinkotuulessa tapahtuvien nopeiden muutosten havaitsemisen.

Seuraava lennon vaihe alkaa joulukuussa 2028, jolloin luotaimet siirtyvät omille radoilleen. Gold-luotain kasvattaa suurinta etäisyyttä Marsistaan ja vastaavasti Blue-luotain laskee sitä. Muutosten myötä luotaimet mittaavat Marsina magnetosfäärissa eri alueita. Tämä vaihe jatkuu toukokuuhun 2029, jonka jälkeen toistaiseksi suunnitelmissa oleva tutkimustoiminta päättyy. On luotaimet ja niiden havaintoinstrumentit käyttökelpoisessa kunnossa ja onko polttoaineita riittävästi jäljellä ratakorjauksiin, ovat sellaisia kysymyksiä, jotka ratkeavat ajan kanssa. NASA on kuitenkin pyrkinyt käyttää toimintakuntoisia avaruusluotaimia niin pitkään kuin mahdollista, joten hyvällä onnella Goldin ja Bluen tarina jatkuu – ehkä!

Lennon ensimmäisessä havaintovaiheessa luotaimet ovat samalla radalla Marsia kiertäen. Tälainen rata mahdollistaa lyhytaikaisten ilmiöiden havaitsemisen. Kuva NASA.

Luotaimet ovat rakenteellisesti samanlaisia ja kummassakin niistä on samat havaintoinstrumentit ^[3]. Laitteiden tekemien havaintojen avulla tutkijat pyrkivät ymmärtämään Marsin magnetosfäärin rakennetta ja prosesseja, jotka vaikuttavat ja ohjaavat ionivirtoja. Aikaisemmin tällaista kahden luotaimen avilla tehtyä tutkimusta ei ole tehty Marsin kiertoradalla. 

Jälkimmäisellä havaintokaudella luotaimet ovat omilla radoillaan, joten niiden havainnot mahdollistavat  kausaalisien riippuvuuksien tutkimisen. Kuva NASA.

 Toinen tärkeä tutkimuskohde on aurinkotuulen energiavirtojen kulkeutuminen ja liikemäärän vaikutus nykyiseen magnetosfääriin. Kolmas tavoite on aurinkotuulen vuorovaikutusprosessit ovat tärkeimpien tavoitteiden joukossa, jolla pyritään selvittämään, miten aurinkotuuli on vaikuttanut Marsin ilmakehän riipiytymiseen aikojen kuluessa. Neljänneksi luotaimet tuottavat tietoa Marsin lähiavaruuden avaruussäästä, sen vaikutuksista Marsiin ja aurinkomyrskyjen vaikutukset planeetan pinnalla. Marsin globaalin magneettikentän puuttuminen on miehitettyjen lentojen ja mahdollisesti Marsin pinnalle perustettavien siirtokuntien yksi vaikeammin hallittavista ihmisten terveyttä ja henkeä vaarantavista tekijöistä.

 

Viitteet

[1] Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers

 

[2] New Glenn tekniset yksityiskohdat

Korkeus: 98 metriä

Halkaisija: 7 metriä

Moottorit: 7 × BE-4 (1. vaihe) + 2 × BE-3U (2. vaihe)

Työntövoima: Yli 16,9 MN nousuvaiheessa

Kantokyky: 45 tonnia LEO-kiertoradalle, 13,6 tonnia GTO-kiertoradalle.

Raketissa on tilaa kahdelle ESCAPADE-luotaimelle lisäksi Viasatin HaloNet-demonstraatiokuormalle.

New Glenn on nimetty astronautti John Glennin mukaan, joka oli ensimmäinen amerikkalainen Maan kiertoradalla.

 

[3] Havaintoinstrumentit ovat:

EMAG magnetometri (NASA Goddard)

EESA elektrostaattinen analysaattori – ionit ja elektronit (UC Berekeley)

ELP Langmuir Probe – plasmaominaisuudet (Embry-Riddle)

VIS/IR näkyvän valo ja infrapunaisen valon kamera (Northern Arizona University).

 

Mittaustapa ja tarkkuus:

Magneettikenttä: 3-akselinen vektori mittaus, herkkyys nanotesla-tasolla

Ionit: Energia-alue 10 eV - 30 keV, massaerottelu H⁺, He⁺⁺, O⁺

Elektronit: Energia-alue 1 eV - 50 keV, kulmaerottelu 360°

Plasma: Elektronitiheys ja lämpötila, ionien drift-nopeus

Kuvat: Näkyvä ja infrapuna-alueet, mahdollisuus Marsin vihreiden revontulien havaitsemiseen.

 

[4] Kiertorata (syyskuu 2027)

Kiertoradan tyyppi: Korkea elliptinen rata

Periapsis: ~160 km

Apoapsis: 7,000-10,000 km

Kiertoaika: ~87 tuntia

Kaltevuus: 60°

 

 

Tärkeä avaruussää

Auringon ja Maan välinen yhteys
näkyy avaruussäänä
lähiavaruudessamme. Kuva Nasa.

Tiedätkö mitä on avaruussää? Ei se mitään, ei moni muukaan siitä ole kuullut puhuttavankaan. Siitä huolimatta se on vähintään yhtä tärkeä kuin ilmakehässä vallitsevan säätilan, ja ennen kaikkea tulevan säätilan tuntemus. Uskaltaisinpa väittää, että avaruussään ennustaminen tulee tulevaisuudessa olemaan, ei pelkästään hyödyllistä vaan jopa elintärkeää yhteiskuntajärjestelmämme toimivuudelle.

Avaruussää on lähiavaruutemme tila, joka koostuu monista tekijöistä. Tärkein näistä tekijöistä on aurinkotuulen hiukkastiheys ja nopeus. Molemmat tekijät vaihtelevat suuresti Auringon aktiivisuusjakson mutta myös Auringossa päivittäin tapahtuvien flare- ja CME-purkausten avaruuteen sinkoamien sähkövarautuneiden hiukkasten määrän ja energian mukaan. 

Ei tarvita kovinkaan vilkasta mielikuvitusta ymmärtämään, että sähkövarautuneet hiukkaset vaikuttavat suoraan maapalloa kiertävien satelliittien toimintaan. Tiheä hiukkaspilvi ei voi olla vaikuttamatta satelliittien tietoliikenteeseen. Erityisesti Auringossa tapahtuvat voimakkaat purkaukset tuottavat runsaasti suurenergisiä hiukkasia, jotka päätyvät planeettojen väliseen avaruuteen ja sitä tietä osa niistä päätyy myös maapallon vaikutuspiiriin. 

Suurenergiset hiukkaset ja herkät elektroniset laitteet eivät ole hyvä yhdistelmä samassa tilassa. Vahvoista suojauksista huolimatta, aina silloin tällöin (itse asiassa hyvin usein) elektroniikassa esiintyy häiriöitä. Osa niistä on harmittomia, ohimeneviä tapauksia, mutta joukkoon mahtuu laiterikkoja ja jopa satelliittien täydellisiä ja korjaamattomia vaurioita. Tällöin useiden kymmenien tai satojen miljoonien arvoiset laitteet menetetään. Satelliittien muutaman vuosikymmenen mittaisella aikakaudella on menetetty satoja laitteistoja tästä syystä.

Avaruussään vaikutus ei pääty vain lähiavaruuteemme, vaan ne ulottuvat jopa maanpinnalle. Mielenkiintoiset ja kauniit revontulet ovat vain näiden vaikutusten pittoreski ilmenemismuoto, mutta todelliset vaikutukset näkyvät niin öljy- ja kaasuputkistojen sekä sähkölinjojen toiminnassa. Lähiavaruutemme miljoonien ampeerien sähkövirrat ja niissä tapahtuvat äkilliset muutokset indusoivat sähkövirtoja maanpäällisiin verkostoihin. Näiden seurauksena putkistot ruostuvat ”alta aikayksikön” ja sähköverkoissa esiintyy kymmenien tai satojen ampeerien häiriövirtoja, jotka tuhoavat laitteistoja. 

Lähiavaruuden avaruussää
Quebecin pimentymisen
aikana. Kuva Wikimedia Commons.

Äärimmäisenä esimerkkinä näistä tuhoista on Kanadan Quebecissä vuonna maaliskuussa 1989 esiintynyt [1] laaja sähkökatkos. Episodin perimmäisenä syynä pidetään Auringossa tapahtunutta voimakasta purkausta, jonka seurauksena sähköverkostoon syntyi häiriövirtoja, jotka puolestaan pudottivat useita voimalaitoksia ja muuntoasemia pois verkosta yksi toisensa perään. 

Avaruussäätä on pyritty ennustamaan jo vuosikymmeniä. Niinpä tietämyksemme siitä on kasvanut ja viimein aletaan olla tilanteessa, jossa voidaan julkaista avaruussääennusteita siinä missä tavallisiakin sääennusteita. Brittiläinen Met Office aloittaa tulevana keväänä 24 tunnin ennustepalvelun, joka tarjoaa avaruussäätilaennusteita niin satelliitti-, tietoliikenne- ja sähköyhtiöiden tarpeisiin. Ennusteiden avulla operaattorit voivat siirtää satelliittinsa suojatilaan, sähköyhtiöt voivat valmistautua korjaamaan verkoissa tapahtuvia vikoja ja radioliikenne voi etsiä korvaavia tiedonvälitysmenetelmiä.

Tavallisille ihmisille avaruussääennusteet telenevat tutuksi lehtien revontuliennusteina. Tämän blogin lukijoiden ei kuitenkaan tarvitse odottaa lehtien revontulienennusteita, vaan sellaisen voi tehdä itselleen omaan käyttöön tästä linkistä avautuvalla sivulla[2]. Sivusto on osa Tampereen Ursan kurssitarjontaan kuuluvaa Aurinko- ja revontulet-kurssia, mutta se on käytettävissä vapaasti kenelle tahansa asiasta kiinnostuneelle. Sivuston asiatiedot ovat esitetty hyvin tiivistetysti, joten hyvään lopputulokseen pääsemiseen vaaditaan paljon muutakin[3] tietoa. Hyvään alkuun kuitenkin sivulta pääsee.

Huomautukset

[1] Maaliskuun 10. päivänä 1989 Auringossa tapahtui voimakas (X15) luokan flare-purkaus. Purkaus aiheutti massiivisen koronamassapurkauspilven (CME) jonka suuntautui suoraan maapalloa kohti, jonka se saavutti 13. päivänä. Tätä ennen oli Hydro-Quebecin sähköverkossa havaittu voimakkaita häiriöitä, mutta varsinainen verkon ”pimentyminen” tapahtui (13.3.1989) kello 2.44 paikallista aikaa. Sähkökatkos kesti vähintään 9 tuntia, mutta monin paikoin vielä pidempään ennen kuin verkon viat oli saatu korjattua.

[2] http://taursansaakamera.dyndns.org:2222/revontulet/omarevontuliennuste.html

[3] Revontuliennusteita voi saada monista muista Internet-sivustoilta. Tässä muutamia esimerkkejä:

Auroras now! http://aurora.fmi.fi/public_service/

Ilmainen revontulihälytys http://aurora.fmi.fi/public_service/suomi/Revontulialertti.html

Sapaceweather. com http://www.spaceweather.com/

Alaskan yliopiston geofysiikan instituutti http://www.gi.alaska.edu/AuroraForecast , joka laatii revontuliennusteita myös Eurooppaan http://www.gi.alaska.edu/AuroraForecast/Europe/