Vuosikymmeniä jatkunut avaruuden valloitus on johtanut tilanteeseen, jossa Maata ympäröiville kiertoradoille on kertynyt vaarallisen paljon tavaraa. Turun yliopiston tutkijat ovat takaamassa Maan lähiavaruuden kestävää kehitystä tulevaisuudessa.
Planeettaamme valtoimenaan kiertävät avaruusromun kappaleet iskeytyvät toisiinsa suunnattomilla nopeuksilla ja aiheuttavat lisää romua sekä uusia törmäyksiä. Koska asialle ei kyetä tekemään mitään, ongelma eskaloituu tilanteeseen, jossa avaruuteen ei voida enää lähettää uusia aluksia ja avaruuden tutkiminen ja kartoittaminen jäävät vuosisadoiksi unohduksiin.
Kyseessä ei ole kuvaus Maan lähiavaruuden nykytilasta, vaan typistys tähtitieteilijöiden paljon kammoksumasta Kesslerin syndroomasta. Teknologian kehitys ja avaruuden täysimittainen valloitus voivat kuulostaa pelkästään positiivisilta asioilta, mutta niillä on myös varjopuolensa. Kesslerin syndrooma ei nimittäin ole enää silkkaa tieteisfiktiota: Maata ympäröivälle kiertoradalle on jo nyt muodostumassa romuongelma.
– Kiertorata alkaa olla vaarallisen täynnä avaruusromua. Joitain törmäyksiä on jo tapahtunut ja niiden määrä luultavasti vain kasvaa jatkossa, jos ongelmaan ei löydetä ratkaisua, Turun yliopiston avaruustutkimuslaboratorion johtaja, kokeellisen avaruusfysiikan professori Rami Vainio kertoo.
Euroopan avaruusjärjestö ESA on arvioinut, että Maata kiertää jo lähemmäs 30 000 romun kappaletta, joiden halkaisija on yli kymmenen senttimetriä. Pienempiä, alle sentin kokoisia pirstaleita ajatellaan olevan toistasataa miljoonaa.
Vainio työskentelee tällä hetkellä Suomen Akatemian rahoittamassa Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikössä, jota johtaa Helsingin yliopiston laskennallisen avaruusfysiikan professori Minna Palmroth. Helsingin ja Turun sekä Aalto-yliopiston ja Ilmatieteen laitoksen tutkijoista koostuvan konsortion pitkän aikavälin tavoitteena on taata avaruuden kestävä hyödyntäminen tulevaisuudessa.
– Jos toimimme nyt, ongelma on vielä hallinnassa. Avaruusromua pitää saada pois kiertoradalta ja uuden avaruusromun syntymistä täytyy alkaa ehkäistä entistä tehokkaammin. Jo yksikin nuppineulan kokoinen kappale voi hajottaa toimintakykyisen satelliitin, Vainio huomauttaa.
Elämme uutta avaruusaikaa
Idea huippuyksiköstä syntyi, kun Aalto-yliopiston avaruustekniikan opiskelijaprojektina alkaneen Aalto-1-nanosatelliitin kehitystyöhön osallistui lopulta Suomen avaruusosaamisen ykkösnyrkit. Aalto-1 on ensimmäinen Suomessa suunniteltu ja rakennettu satelliitti, johon turkulaiset rakensivat RADMON-säteilyilmaisimen.
Aalto-1 on monella tapaa suomalaiselle avaruustoimialalle historiallinen avaus, joka myös pakotti valtioneuvoston säätämään kansallisesta avaruuslaista. Lisäksi se ilmentää uutta avaruusaikaa laajemminkin.
– On alettu puhua NewSpacesta, kun vuoden 2012 jälkeen suurin osa avaruuteen laukaistuista satelliiteista on ollut yksityisten tahojen omistamia. Muutos johtuu osin siitä, että teknologiasta on tullut entistä halvempaa, saavutettavampaa ja kevyempää, Vainio kertoo.
Satelliittien jatkuvasti pienentyvällä koolla on ollut suuri vaikutus siihen, miksi yksityinen sektori on voinut nousta niin merkittäväksi avaruustoimijaksi viime vuosina. Siinä, missä satelliittien laukaisu avaruuteen oli ennen suuri ja kallis, useita miljoonia euroja maksava toimenpide, uudenaikaisia entistä kevyempiä satelliitteja voidaan lähettää avaruuteen jopa yli sata yhdellä raketilla.
– Koska laukaisukustannukset jaetaan satelliittien määrän tai painon mukaan, hinta putoaa satoihin tuhansiin, mikä puolestaan on synnyttänyt tilanteen, jossa uusia toimijoita nousee kuin sieniä sateella. Puhutaan jopa Maata kiertävästä megakonstellaatiosta, vähän maitopurkkia kookkaampien kaupallisten nanosatelliittien armadasta, Vainio sanoo.
Kun satelliittien laukaisu itsessään ei ole enää kovin kallista, ei ole myöskään järkeä rakentaa valtavan kallisarvoisia satelliitteja.
– Meillä on kiertoradalla noin parin kolmen vuoden käyttöikään optimoituja laitteita, joiden tarkoitus ei ole kestää kauempaa. Tämä johtuu osittain siitä, että satelliittien hyötykuorma paranee jatkuvasti ja esimerkiksi satelliiteissa käytetyt spektrikamerat ovat vuosi vuodelta parempia, Vainio kertoo.
Kustannustehokasta säteilynkestävää teknologiaa
Jos avaruusromua syntyy ennen kaikkea hajoavista satelliiteista, mikä lopulta saa avaruuteen laukaistut kalliit tekokuut muuttumaan arvottomaksi romuksi?
– Suurin yksittäinen tekijä on säteily, jota on avaruudessa paljon enemmän kuin täällä maan kamaralla, Vainio kertoo.
Huippuyksikkö keskittyykin avaruuden hyötykäytön kannalta kahteen tärkeimpään tekijään, satelliittien säteilynkestävyyteen ja avaruusromun hallintaan. Konsortiossa tutkitaan säteilyolosuhteita ja kehitetään älykkäitä teknologioita säteilysuojan parantamiseksi. Se myös laukaisee avaruuteen kolme alle kymmenkiloista nanosatelliittia vuosina 2019, 2021 ja 2023.
– Vanha tapa säteilysuojata satelliitteja avaruudessa perustuu kalliisiin erikoiskomponentteihin ja herkimpien osien panssarointiin. Me kehitämme kaupallisten komponenttien pohjalta aktiivisen, mutta kustannustehokkaan tavan suojautua säteilyltä, Vainio kertoo.
Hankkeessa satelliittien säteilysuojaus tehdään ohjelmistopohjaisesti käyttäen hyväksi teollisuusturvallisuutta ja esineiden internetiä varten luotuja teknologioita. Maallikkokielellä tämä tarkoittaa sitä, että hankkeen satelliitit rakennetaan halvemmista osista, mutta niiden sisältämä ohjelmisto on niin älykästä, että sen pitäisi kyetä sekä tunnistamaan säteilyn aiheuttamat vauriot että korjaamaan ne itseohjautuvasti.
– Satelliitin pitää selvitä säteilystä ja tunnistaa, milloin järjestelmän osa on väliaikaisesti tai kokonaan rikki. Korvaamattoman teknologian tulee myös olla moninkertaistettu, jotta yksi säteilyhiukkanen ei tee koko satelliitista hyödytöntä. Turun yliopiston rooli on varustaa satelliitit mittalaitteilla, joilla pystytään havaitsemaan säteilystä tiettyjä asioita, kuten säteilyvuota ja säteilyn lajeja. Tällaisten instrumenttien kehittäminen on Turun yliopiston perinteistä huippuosaamisaluetta, Vainio sanoo.
Konsortion satelliiteissa testataan myös Ilmatieteen laitoksen Pekka Janhusen kehittämää plasmajarrua. Maan magneettikehän sisäpuolella satelliitin ratanopeutta voidaan hidastaa liekamaisella plasmajarrulla, joka toimii eräänlaisena jarruvarjona haroessaan Maata ympäröivää plasmaa.
– Ideana on, että plasmajarru voisi olla uuden avaruusromun syntymistä ehkäisevä tulevaisuuden standardilaite satelliiteissa. Sen avulla tehtävänsä loppuun saattamat satelliitit olisi mahdollista saada laskeutumaan alemmille radoille, mistä ne lopulta putoaisivat ilmakehään ja tuhoutuisivat.
Avaruus kaupallisena megatrendinä
Avoin satelliittidata, NewSpace nanosatelliitteineen ja kaupallisen laukaisutoiminnan yleistyminen kielivät avaruusliiketoiminnan murroksesta. Vainion mukaan avaruudesta onkin tullut uusi kaupallinen megatrendi.
– Avaruussegmentin kasvuluvut ovat tällä hetkellä huimia, jopa 10–25 prosenttia vuotuista kasvua riippuen analyytikosta.
Myös Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikössä on ymmärretty yritysyhteistyön merkitys.
– Huippuyksiköissä tärkeimpiä asioita on tutkimuksen vaikuttavuus. Teemme yhteistyötä yritysten kanssa ja pyrimme tekemään tiedettä avoimesti niin, että se on myös kaupallisesti jatkohyödynnettävissä, Vainio kertoo.
Avaruudesta tulevalla säteilyllä on suuri vaikutus esimerkiksi lentoliikenteeseen. Vainion ryhmän tutkimuksesta voi jatkossa olla suuri hyöty eritoten niille lento- ja rahtiyhtiöille, jotka liikennöivät napa-alueiden yli.
– Avaruussäteily aiheuttaa ilmakehässä ionisaation, jolloin radioaalto ei enää kulje ongelmitta. Napojen yli lentäminen vaatii hyvää radiokeliä, sillä HF-radiot ovat ainoita toimivia viestimiä alueella. Avaruussään ennustaminen ja säteilyn tuntemus helpottavat napa-alueilla liikennöintiä, Vainio kertoo.
>> Kuuntele Rami Vainion haastattelu
BalticSatApps kiihdyttää avaruudesta saatavien havaintotietojen kaupallistamista
NewSpace on mahdollistanut myös uusien startup-yritysten menestymisen avaruustoimialalla. Euroopan aluekehitysrahasto Interreg Baltic Sea Regionin rahoittama ja Turun yliopiston Brahea-keskuksessa toteutettava kansainvälinen kehittämishanke BalticSatApps on osaltaan edistämässä tätä murrosta.
– BalticSatAppsin keskeisenä tavoitteena on lisätä Euroopan avaruusjärjestön Copernicus-ohjelman avoimesti saatavilla olevan satelliittidatan hyödyntämistä uusissa liikeideoissa, ja miksei myös yritysten olemassa olevan liiketoiminnan tehostamisessa, hankkeen projektipäällikkö Tuomas Ranti kertoo.
Avaruudesta saatavan tiedon hyödyntäminen uusien teknologioiden kanssa luo uudenlaisia mahdollisuuksia yrityksille. Satelliittidatan avulla voidaan ratkaista esimerkiksi ympäristönsuojeluun, turvallisuuteen ja maatalouteen liittyviä haasteita ja tarpeita.
– Hanke kiihdyttää kaukokartoitustiedon kysyntää ja siihen liittyvää innovaatiotoimintaa yhteistuotannon ja iteratiivisen kehitystoiminnan avulla. Järjestämme esimerkiksi sarjan hackathoneja, joissa ideoidaan uusia kaupallisia käyttökohteita kaukokartoitustiedolle, Ranti kertoo.
Itämeren alueella toimivaan hankkeeseen kuuluu yhteistyötahoja Suomen lisäksi Virosta, Puolasta, Venäjältä ja Ruotsista.
– Copernicus-ohjelma on hyvin tärkeä Itämeren alueelle. BalticSatApps parantaa yritysten ja muiden organisaatioiden mahdollisuuksia käyttää dataa yhteiskunnan ja talouden kehittämiseksi, kertoo projektipäällikkö Björn Lovén Ruotsin avaruushallinnosta.
