BepiColombo on kuin avaruuslento pizzauuniin

BepiColombo saapumassa Merkuriusta kiertämään

Euroopan avaruusjärjestön seuraava kunnianhimoinen planeettalento on BepiColombo, jonka kohteena on pätsimäisen kuuma Merkurius. Luotain esiteltiin viime viikolla Hollannissa, ja siksi lento on nyt tulossa ajankohtaiseksi. Katso myös puhdastilassa luotaimen luona tehty videomme aiheesta!

Aurinkokuntamme sisintä planeettaa, Merkuriusta, on käyty tutkimassa vain kahdella luotaimella aikaisemmin. Äkkiseltään katsottuna planeetta näyttää Kuulta – paitsi harmaalta, kraatteriselta ulkonäöltään, on se myös jotakuinkin Kuun kokoinen.

Kaukoputkella tai muilla maanpäällisillä tutkimuslaitteitta ei Merkuriusta voi juurikaan kuvata, koska se on aina hyvin lähellä Aurinkoa Maasta katsottuna. SIksi ainoa tapa saada siitä selvyyttä on mennä paikan päälle.

Merkuriuksen tutkiminen on kuitenkin paljon hankalampaa kuin Kuun tai muiden lähiplaneettojen jahtaaminen avaruusluotaimin.

Tärkeimpiä syitä on kaksi: Merkuriusta kiertämään on hankala mennä ja olosuhteet lähellä Aurinkoa ovat kirjaimellisesti helvetilliset. Auringon paahde kuumentaa aluksen pintaa siellä parhaimmillaan (tai siis pahimmillaan) jopa 430°C:n lämpötilaan, minkä lisäksi Merkuriuksen pinta hohtaa myös pizzauunin kuumuudella.

​Jos Aurinkoa katsoisi Merkuriuksesta, olisi se keskimäärin 2,5 kertaa suurempi kuin Maassa. Sen kirkkaus olisi puolestaan 6,5 kertaa suurempi.

Lennon vaikeus johtuu puolestaan siitä, että lentäminen "alaspäin" aurinkokunnassa vaatii omat temppunsa ja Merkuriuksen tapauksessa ongelmana on myös sen soikea kiertorata. Radan korkein piste vääntyy koko ajan vähän eteenpäin Auringon vetovoiman vuoksi, joten planeettaa kiertämään saapuvan luotaimen rataa pitää koko ajan säätää sen mukaisesti

Ensimmäisenä Merkuriusta tutki amerikkalainen Mariner 10 maaliskuussa 1974. Sen lento osoitti konkreettisesti myös Merkuriukseen menemisen vaikeuden, sillä 1970-luvun tekniikalla pystyttiin tekemään vain ohilentoja. Maaliskuun 1974 jälkeen se teki toisen ohilennon saman vuoden syyskuussa ja kolmannen maaliskuussa 1975, jolloin se lensi vain 327 kilometrin korkeudelta planeetan pinnasta. 

Mariner 10 kuvasi noin 45% Merkuriuksen rokonarpisesta pinnasta. Se havaitsi heikon magneettikentän ja löysi planeetan ympäriltä hyvin ohuen kaasukehän, joka koostui lähinnä heliumista.

Seuraavia luotaimen ottamia lähikuvia jouduttiin odottamaan vuoteen 2008, jolloin Nasan Messenger-luotain suhahti Merkuriuksen ohi. Sen jälkeen luotain teki kaksi ohilentoa lisää ja sääti kiertorataansa siten, että se pääsi lopulta asettumaan kiertoradalle Merkuriuksen ympärillä vuonna 2011.

Massiivisella lämpökilvellä varustettu Messenger onnistui kuvaamaan jo noin 90 % Merkuriuksen pinnasta jo ohilentojensa aikana, mikä auttoi tutkijoita etsimään kaikkein kiinnostavimpia kohteita jo ennen varsinaisen tutkimisen alkamista. Planeettaa kiertäessään luotaimen rataa muutettiin useampaan kertaan, jotta se pystyi paitsi kuvaamaan ja mittaamaan planeetan pintaa mahdollisimman tarkasti, niin myös tutkimaan avaruutta sen ympärillä eri puolilta ja etäisyyksiltä.

Lähimmillään luotain kävi Merkuriusta tammikuussa 2012, jolloin se kävi ratansa lähimmässä osassa vain noin 200 kilometrin päässä pinnasta. Tosin lentonsa lopuksi luotain pääsi vieläkin lähemmäksi, sillä Messenger ohjattiin osumaan planeetan pintaan lentonsa lopuksi huhtikuussa 2015. Se luonnollisesti lähetti tietojaan loppuun saakka.

Merkuriuksen pintaa väärävärikuvana MESSENGERin kuvaamana.
Merkuriuksen pintaa väärävärikuvana.

Merkurius on hyvin omituinen minihelvetti

Etenkin käsittelemättömissä, ilman värikorostusta olevissa kuvissa Merkurius näyttää varsin tylsältä, mutta silti se on hyvin kiinnostava, mutta koska sen avulla voidaan ymmärtää paremmin yleisesti lähellä Aurinkoa olevia kiviplaneettoja.

Pääosin Messenger vahvisti aiempia oletuksia siitä, että sen koostumuksessa raudan suhde silikaatteihin (siis kiveen) on varsin suuri ja että sillä on heikko magneettikenttä. 

Magneettikentän olemassaolo on erityisen kiinnostavaa, koska periaatteessa planeetta on liian pieni siihen, että sillä olisi magneettikentän synnyttävä sulasta nikkelistä ja raudasta muodostunut hyvin suurikokoinen ydin. Se muodostaa todennäköisesti joka kaksi kolmannesta planeetan massasta ja sen säde voisi olla jopa 1900 km. Siten kivikuoren paksuus olisi vain viitisensataa kilometriä.

Erään teorian mukaan Merkuriukseen olisi törmännyt joskus Aurinkokunnan alkuaikoina jokin suuri kappale, joka olisi singonnut suuren osan pinta-aineesta pois. Toinen teoria ehdottaa, että nuori Aurinko olisi ollut kuumempi ja se olisi yksinkertaisesti höyrystänyt pinnasta paljon ainetta avaruuteen.

Messengerin lähettämissä yli sadassa tuhannessa kuvassa näkyy kuunharmaata pintaa kraattereineen, tasankoineen, laavavirtoineen ja satoja kilometrejä pitkine halkeamineen. Merkurius on selvästi ollut ainakin aikaisemmin aktiivinen, mutta suurelta osin pinnanmuodot on selitettävissä siten, että planeetta on jäähtynyt ja kutistunut syntynsä jälkeen. 

Suurin Merkuriuksen pinnanmuoto on halkaisijaltaan noin 1500 km oleva Caloriksen allas. Se on törmäyskraatteri, jonka reunalla olevat vuoret ovat noin kaksi kilometriä korkeita. Isku on aikanaan ollut niin voimakas, että planeetan pinnalla täsmälleen toisella puolella on sokkiaaltojen aikaansaamia ruhjeita.

Vaikka Merkuriuksessa on hyvin kuumaa, on sen napa-alueilla paikkoja, minne Aurinko ei paista (tällä hetkellä) lainkaan. Siellä, esimerkiksi syvällä kraattereissa, saattaa olla jäätynyttä vettä. Messenger löysi pohjoisnavan luota merkkejä jäästä, kuten myös yksinkertaisista orgaanisista yhdisteistä.

BepiColombo näyttää vähän omituiselta, suurelta alasimelta. Sen mukana matkaan lähtevä magnetosfääriluotain on puolestaan kuin täytekakku, jonka päällä koristeena on antenni.

BepiColombo jatkaa Messengerin työtä 

Jos alkuperäiset suunnitelmat olisivat toteutuneet, olisi BepiColombo lähtenyt matkaan lähes saman tien Messengerin jälkeen. Mutta luotaimen eteen kerääntyi paljon teknisiä ongelmia, ennen kaikkea siksi, että lento on hyvin kunnianhimoinen. 

Amerikkalaiset tekivät luotaimensa varsin suoraviivaisesti piilottamalla sen kookkaan lämpösuojakilven taakse, mikä haittasi olennaisesti Merkuriuksen tutkimista. Euroluotain sen sijaan käyttää monia aivan uusia tekniikoita, joiden kehittäminen osoittautui varsin haastavaksi.

Lentoa alettiin suunnitella jo 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa hanke laitettiin ehdolle ESAn Cosmic Vision -tutkimusohjelman erääksi ns. lippulaivalennoksi. Se olisi siis Rosetta-komeettaluotaimen kaltainen kallis ja kunnianhimoinen lento, johon panostettaisiin runsaasti aikaa ja rahaa.

Virallisesti lento hyväksyttiin helmikuussa 2007, jolloin päätettiin myös toteuttaa lento yhdessä Japanin avaruustutkimusvirasto JAXAn kanssa: euroluotaimen kanssa Merkuriusta lähtisi tutkimaan samalla kyydillä pienempi japanilainen ennen kaikkea magneettikentän mittaamiseen erikoistunut alus.

Lento sai omalaatuisen nimen BepiColombo italialaiselta matemaatikolta Giuseppe "Bepi" Colombolta, joka keksi ja laski Mariner 10 -lennon omalaatuisen ohilentoradan.

Rata oli merkittävä myös siksi, että se käytti ensimmäisenä planeettojen ohilentoja luotaimen nopeuden ja lentoradan muuttamiseen rakettimoottorin polttojen sijaan. Mariner 10 ei olisi kyennyt tutkimaan Merkuriusta niin hyvin ilman Bepiksi kutsutun italialaisen ideaa, ja painovoimalinkousta on käytetty sen jälkeen lukuisten luotaimen lentoa avustamaan.

Alkuperäisen aikataulun mukaan laukaisu olisi tapahtunut jo vuonna 2011, mutta nyt se on lokakuussa 2018. 

Tekniset ongelmat on nyt ratkaistu, ja vain luotaimen viimeisissä testeissä tai sen laukaisuvalmisteluissa tapahtuvat onnettomuudet voivat enää lykätä lentoa. Tai jos kantoraketille tapahtuu onnettomuus ennen laukaisua.

Luotaimen varsinainen lentomalli on joka tapauksessa nyt valmis ja se on parhaillaan ESAn teknisessä keskuksessa ESTECissä, Hollannissa.

Kyseessä on itse asiassa kolmikko, joka näyttää omituiselta päällekkäin kasattujen palasten tornilta.

Varsinainen BepiColombo-luotain on vähän alasimen näköinen laatikkomainen laite, joka on viitisen metriä pitkä suurimmalta pinnaltaan. Sen yksi kylki on kuin metallinvärinen sälekaihdin: se on aina varjopuolella oleva lämpösäteilin, joka hohkaa luotaimen sisältä lämpöä ulos avaruuteen. 

BepiColombossa ei ole Messengerin käyttämää lämpökilpeä, vaan se luottaa vaaleaan lämpösuojaan pinnallaan sekä näppärästi suunniteltuun lämmönhallintasysteemiin, joka vie ylimääräisen kuumuuden lämpösäteilimeen. Lämpösuojaus on ollut yksi suurimmista syypäistä viivytykseen; esimerkiksi vaalean kangasmaisen lämpösuojapinnoitteen mustata ompeleet piti tehdä uudestaan, kun saumoista valuikin liikaa lämpöä läpi.

Yllättävä lisäviivästys tuli puolestaan lautasantennista, jonka kautta luotain on yhteydessä Maahan. Sen muoto muuttui liikaa tietyissä tilanteissa, joissa sen toinen puoli oli varjossa ja toinen Auringon paahteessa. Kun antennin lautasmuoto muuttui liikaa, ei tieto enää kulkenutkaan. Siis antennia suojaamaan piti kehittää erityinen valkoinen maali.

Verrattuna Messengeriin joutuu BepiColombon vielä suuremman lämpörasituksen kohteeksi, koska sen kiertorata tulee olemaan lähempänä pintaa. 

Toinen murheenkryyni on ollut aurinkopaneeli, joka toistaiseksi täytyy vielä kuvitella ESTECin hallissa olevaan luotaimeen kiinni. Alun perin käytettäväksi suunnitellut yhdistepuolijohdeaurinkokennot osoittautuivatkin lämmönkestävyydeltään luvattua huonommaksi, joten aurinkopaneelin lisäksi osa alijärjestelmiä piti suunnitella uudelleen.

Koska aurinkopaneelin pitää osoittaa kohti Aurinkoa, on sen suojaaminen ylimääräiseltä lämmöltä hankalaa. Siksi pintaan on asennettu kennojen lisäksi peiliä ja paneelit käännetään osoittamaan hyvin pienessä kulmassa Aurinkoon: se voi olla jopa 80° poispäin Auringosta.

Varsinaisen alasinmaisen luotaimen (josta käytetään myös lyhennenimeä MPO, Mercury Planetary Orbiter) kanssa Merkuriusta tulee kiertämään pienempi japanilainen magneettikenttää mittaava satelliitti, joka vapautetaan omille teilleen Merkuriuksen luona.

Tämä japanilaisten tekemä MMO-nimellä (Mercury Magnetospheric Orbiter) tunnettu alus on kuin aurinkopaneeleilla ja hopeapaperilla päällystetty täytekakku, jonka keskellä sojottaa antenni kuin yksittäinen kynttilä kakussa.

Ja lisäksi on viitisen metriä pitkä toiselta pinnaltaan kaareva laatikko MTM (Mercury Transfer Module), jonka tehtävänä on kuljettaa kaksi kiertolaista planeettainvälisen avaruuden halki Merkuriukseen. Siinä on omat aurinkopaneelit ja neljä voimakasta ionimoottoria. 

Oikeastaan lisäksi osiin tulee laskea vielä aurinkosuoja, metallinen tötterömäinen visiiri, joka tulee suojaamaan luotaimia Auringon paahteelta matkan aikana. 

Jos BepiColombon kehittämiseen on mennyt suunniteltua enemmän aikaa ja rahaa, on tästä ollut jo nyt hyötyä ESAn Aurinkoa tutkivan Solar Orbiter -luotaimen suunnittelun kannalta. Suurin osa ongelmista on liittynyt juuri siihen, että Euroopassa ei ole aikaisemmin tehty yhtä lämpöteknisesti haastavaa avaruusalusta.

Luotaimessa on neljä voimakasta ionimoottoria, jotka vievät BepiColombon mutkikasta rataa pitkin Merkuriukseen.

Lähelle on pitkä matka

Matkassa mitattuna ei Merkurius ole usein paljoakaan kauempana kuin esimerkiksi Mars keskimäärin, mutta sinne meneminen on paljon Marsia vaikeampaa.

Hieman yli neljä tonnia laukaisun aikaan painavalta BepiColombolta matkaan kuluu seitsemän vuotta ja pari kuukautta; Messengeriltä kului noin kahdeksan. Lyhempään matka-aikaan päästään tehokkailla ionimoottoreilla ja näppärällä lentoradalla.

Ensin luotain saapuu noin vuoden kuluttua laukaisunsa jälkeen Maan lähelle ja nappaa käyttää maapalloa ratamuutokseen kohti Venusta. Kaksi 225 vuorokauden välein toistuvaa Venuksen ohilentoa muuttavat soikean radan Aurinkoa lähintä kohtaa pistettä Merkuriuksen etäisyydelle. 

Sitten tehdään kuusi Merkuriuksen ohilentoa, joilla luotaimen nopeus saadaan hidastettua 1,75 kilometriin sekunnissa. Alkunopeus oli 3,36 km/s.

Lopulta luotain vempautetaan joulukuussa 2025 kiertämään Merkuriusta neljällä pitkällä ionimoottoreiden jarrutuspoltolla siten, että lopulta kohdeplaneetta oikeastaan nappaa luotaimen kiertoradalleen.

Aluksi luotain kiertää Merkuriusta hyvin soikealla kiertoradalla, jonka lähin piste on 450 kilometrin korkeudessa ja kaukaisin 175 000 kilometrin päässä planeetasta.

Japanilaisluotain irrotetaan, ja se jää kiertämään itsekseen Merkuriusta.

Sen jälkeen BepiColombo muuttaa rataansa vähemmän soikeaksi siten, että lopulta sen on radalla, joka kulkee planeetan napojen kautta ja vaihtelee korkeudeltaan 400:n ja 1500:n kilometrin välillä.

Pari kuukautta kestävän mittalaitteiden ja kameroiden tarkistuksen jälkeen luotain aloitta ainakin vuoden ajaksi suunnitellun tutkimusrupeamansa. Tosin yleensä avaruuslaitteet kestävät nykyisin minimivaatimuksia pitempään, joten jo nyt lennon arvellaan ja toivotan kestävän vähintään vuoteen 2027.

Ja jos luotain on niin hyvä kuin nyt oletetaan, saattaa se jatkaa tutkimuksiaan tuon jälkeenkin.