ExoMars on Euroopan avaruusjärjestön kunnianhimoinen hanke, missä Venäjän avaruushallinto on mukana mm. siten, että venäläiset tarjoavat hankkeen kahdelle luotaimelle kyydit avaruuteen.

Ensimmäisenä on vuorossa tänään laukaistava TGO-nimisen luotaimen ja Schiaparelli-laskeutujan paketti, jota kutsutaan mielikuvituksellisesti nimellä ExoMars 2016, ja sitten kahden vuoden päästä lähtee matkaan kunnianhimoinen kulkija, joka viedään rullaamaan ja tekemään tutkimuksiaan Marsin pinnalle. Sitä kutsutaan virallisesti yhtä jännällä nimellä ExoMars 2018.

Alkuperäinen ExoMars oli tämä kulkija, mutta vuosikymmenen kuluessa hanke on muuttunut kovasti – mutta päätavoite on pysynyt samana. Se on elämän merkkien etsiminen Marsista ja siitä tulee myös nimi ExoMars, eli "eksobiologiaa Marsissa".

Tänään laukaistava lasti ei ole sen vähempää kuin massiivisin koskaan Marsiin lähtevä kuorma: kaksikon massa punaisen planeetan luokse saavuttaessa on yhteensä noin 4300 kg.

TGO jää kiertämään Marsia ja tutkii mm. sen kaasukehän hivenkaasuja. Nämä ovat kaasuja, joita on hyvin vähän, mutta joilla on suuri merkitys – eräs kiinnostavimmista on metaani, joka voi olla merkki myös elämästä Marsissa. Toinen vaihtoehto on tulivuoritoiminta. TGO pystynee ellei nyt ratkaisemaan Marsista havaitun metaanin arvoituksen niin ainakin tuomaan siihen lisää tietoja.

Schiaparelli puolestaan testaa toisella lennolla tarvittavia tekniikoita Marsiin laskeutumisessa. Alun perin laskeutujan tehtävä oli vain laskeutua, mutta sen akkujen virta riittää todennäköisesti muutaman päivän ajaksi, joten se tulee toivottavasti ja todennäköisesti tekemään pinnalla havaintoja vähän aikaa.

Laskeutujassa on mukana myös Ilmatieteen laitoksen toimittamia laitteita, jotka mittaavat Marsin kaasukehän painetta ja kosteutta. Laitteet ovat osana Schiaparellin DREAMS-nimistä säähavaintopakettia. 

Otsikkokuvassa ovat kummatkin suomalaislaitteet: vasemmalla painemittari ja oikealla kosteusmittari.

Kummatkin perustuvat Vaisalan anturitekniikkaan, joita Ilmatieteen laitoksella on muokattu ja niihin on liitetty tarvittava elektroniikka. Aiemmin samantyyppisiä laitteita on toimitettu mm. NASAn Curiosity-marskulkijaan (2012-) ja Mars Phoenix -laskeutujaan (2008), sekä Saturnuksen Titan-kuuhun vuonna 2005 laskeutuneeseen ESAn Huygens-luotaimeen. Suomalaiset ovat osallistuneet myös laitteista saatujen tietojen käsittelyyn ja analysointiin.

Signaali luotaimesta saadaan vasta illalla

Kun toivottavasti laukaisu tänään puolelta päivin sujuu hyvin, aloittaa aluskaksikko pitkän matkansa automaattisesti kohti Marsia. Ensimmäinen signaali siitä ja sen toiminnasta saadaan vasta noin 11 tunnin kulutta laukaisusta, siis noin klo 22:30 Suomen aikaa illalla.

Tarkalleen ottaen laukaisu tapahtuu klo 11.31:42 Suomen aikaa, jolloin Proton M -kantoraketti nousee matkaan Baikonurin laukaisualueella 200 olevalta alustalta 39.

Proton on eräs voimakkaimmista kantoraketeista ja ammoinen Neuvostoliitto kehitti sen alun perin 1960-luvulla suunnittelemiaan miehitettyjä kuulentoja varten. Sittemmin sitä on käytetty mitä erilaisimpiin laukaisuihin avaruusaseman osista tietoliikennesatelliitteihin ja planeettaluotaimiin.

Sen luotettavuus ei ole aivan yhtä hyvä kuin monilla muilla kantoraketeilla, esimerkiksi venäläisellä Sojuzilla, sillä hieman yli 400 laukaisusta nelisenkymmentä on epäonnistunut. Viime aikoina raketin nykyinen, M-versio on toiminut varsin ongelmitta, joten enteet ExoMarsin laukaisun onnistumiseen ovat hyvät.

Lentoonlähdön aikaan 58-metrisen kantoraketin massa on yli 700 tonnia. Raketin ensimmäinen vaihe lopettaa toimintansa kahden minuutin jälkeen ja se putoaa Siperiaan.

Ekologisesti tämä ei ole erityisen hyvä asia, koska raketti käyttää ympäristölle (palamattomina ollessaan) haitallisia aineita polttoaineenaan ja hapettimena, ja niitä on hieman jäljellä putoavan rakettivaiheen tankeissa. Siinä missä ennen tämä asia ohitettiin olan kohauttamisella, ollaan nyt epäkohdasta tietoisia, ja siksi Venäjä on kehittämässä Protonille puhtaampaa seuraajaa.

Toinen vaihe toimii kolme ja puoli minuuttia, ja sen jälkeen vuoroon tulee kolmas vaihe, jonka hiivuttua ExoMars on avaruudessa. Vaikka korkeus on jo 153 km, ei luotaimella ole kuitenkaan vielä tarpeeksi vauhtia Maan kiertoradalla pysymiseen. Nopeus on "vain " 7 230 metriä sekunnissa.

Siksi ylin vaihe – nimeltään Breeze M – ottaa ohjat ja kantaa vastuun siitä, että luotain saadaan pidettyä avaruudessa ja työnnettyä juuri oikeaan suuntaan oikealla nopeudella siirtoradalle kohti Marsia. Sitä varten se sytyttää rakettimoottorinsa useampaan kertaan; ensin kuudeksi minuutiksi, joiden aikana luotain saadaan turvalliselle pysäköintiradalle Maan ympärillä, ja sitten radan muuttamiseen hyvin soikeaksi ja lopulta viimeiseen puskemiseen, joka sinkoaa sen planeettainväliseen avaruuteen.

Soikea rata välissä vie luotaimen noin 5 000 kilometrin päähän Maasta, ja ratamuutos sitä varten voidaan tehdä vasta yhden matalan ratakierroksen jälkeen, eli tästä tulee noin kaksi tuntia odottamista. Sen jälkeen tehtävä ratamuutos saa luotaimen vieläkin soikeammalla radalle, joka vie sen jopa 21000 kilometrin päähän. 

Tällä radalla yhteen kierrokseen menee taas kuusi tuntia, joten vasta sen jälkeen Breeze-M voi sytyttää moottorinsa jälleen, joten aika laukaisusta siihen, että TGO ja Schiaparelli ovat kunnolla matkalla kohti Marsia ja pystyvät olemaan yhteydessä lennonjohtoon, on piinaavat 10 tuntia ja 56 minuuttia (jos kaikki sujuu hyvin).

Kunhan luotaimeen ollaan yhteydessä ja lennonjohto tietää, että se toimii hyvin, se laitetaan horrokseen. Siitä se herätetään vasta noin seitsemän kuukauden kuluttua, jolloin saapuminen Marsiin on lähellä. Jos laukaisu tänään on jännittävä, niin Marsiin saapumisen päivä, 19. lokakuuta 2016, on kenties vieläkin jännittävämpi. Silloin TGO asettuu kiertämään planeettaa ja Schiaparelli laskeutuu sen pinnalle.

Myös Tiedetuubi seuraa laukaisua tiiviisti. Laukaisujuttua odotellessa on hyvää aikaa lukea alla olevia taustatietojuttuja sekä vaikkapa katsella kuvia parin vuoden takaisesta Baikonurista.

Auringonpimennykset näkyvät luonnollisesti myös avaruudesta alas Maahan ja ylös kohti Aurinkoa (ja samassa suunnassa olevaa Kuuta) katsottaessa.

Klassikkoja ovat Kansainväliseltä avaruusasemalta otetut kuvat ja videot, sekä etenkin näistä tehdyt taiteelliset feikkiversiot.

Eräs uutterimmista pimennyskuvaajista on kuitenkin pieni Proba-2 -satelliitti, joka kuvaa teleskoopillaan Aurinkoa lähes jatkuvasti ja saa siten helposti kuvaansa myös pimennyksiä – kuten aikaisemminkin, oli tuloksena nytkin kauniita kuvia Aasiassa ja Tyynellä valtamerellä tapahtuneesta pimennyksestä. 

Vyöhyke, jonka kohdalla pimennys näkyi täydellisenä, oli parhaimmillaan vain noin 155 kilometriä leveä, eikä Proba-2 osunut radallaan juuri sen kohdalle oikeaan aikaan. Niinpä se joutui katsomaan pimennystä osittaisena, kuten miljoonat ihmiset Aasiassa, Havaijilla ja Tyynen valtameren saarilla.

Itse asiassa se osui osittaisen pimennyksen alle kaksi kertaa, klo 02:40 – 02:54 ja 04:58 – 05:13 Suomen aikaa.

Otsikkokuvana oleva kuva otettiin näistä ensimmäisessä havaintoikkunassa. Sen otti luotaimen SWAP-teleskooppi, joka kuvaa Aurinkoa äärimmäisen ultravioletin aallonpituudella.

Lisäksi Kuun kiekko oli näkyvissä Proba-2:n havaintolaitteissa aiemmin ja myöhemminkin, vaikka se ei enää peittänyt lainkaan Aurinkoa. Nämä vilaukset näkee hyvin alla olevalla videolla.

Suurin osa sääsatelliiteista on päiväntasaajan päällä paikoissa, missä ne näyttävät pysyvät Maan pinnalta katsottuna koko ajan samalla paikalla, ja mistä ne pystyvät siksi tekemään koko ajan tarkkoja ja samanlaisia havaintoja allaan olevasta maapallon pinnasta.

Valitettavasti vain päiväntasaajan päältä katsottuna esimerkiksi napa-alueet jäävät lähes kokonaan pimentoon ja kovin pohjoiset sekä eteläiset alueet näkyvät huonosti. Esimerkiksi Suomi on näissä sääkuvissa vain pieni läikkä kuvan yläkulmassa.

Siksi näiden laajasti sääilmiöitä katsovien satelliittien lisäksi planeettaamme kiertää muutamia polaariradoilla olevia sääsatelliitteja, jotka pystyvät tekemään havaintojaan kaikkialta maapallon pinnalta. Koska ne ovat myös lähempänä Maata, pystyvät ne tutkimaan sääilmiöitä ja ilmakehää tarkemmin ja paremmin. 

Eurooppalaiset MetOp-satelliitit ovat tällaisia. Kyseessä ovat Euroopan avaruusjärjestön tekemät ja Euroopan sääsatelliittijärjestö EUMETSATin operoimat satelliitit, joita on jo kaksi avaruudessa. Ensimmäinen niistä laukaistiin matkaan vuonna 2006, toinen vuonna 2012 ja kolmas satelliitti – joka periaatteessa korvaa ensimmäisen – on vuorossa ensi vuonna.

Mittausten kannalta on tärkeää, että havaintoja tehdään pitkän ajan kuluessa samalla tavalla ja samoilla mittalaitteilla, joten satelliitit ovat samanlaisia. Niinpä nyt valmistuva kolmas MetOp edustaa periaatteessa yli vuosikymmenen vanhaa tekniikkaa.

Siksi näille satelliiteille suunnitellaan jo seuraajia, jotka jatkaisivat perushavaintojen tekemistä rutiininomaisesti, mutta aiempaa paremmin. Lisäksi satelliitteihin tulee kokonaan uusia mittalaitteita, koska ilmastontutkijoiden mielenkiinnon kohteet ovat laajentuneet ja tekniikka mahdollistaa aiempaa syvällisempien havaintojen tekemisen.

MetOp-satelliittien toinen sukupolvi tulee myös koostumaan sarjasta samanlaisia sääsatelliitteja. 

Hanketta luotsataan yhdessä EUMETSATin, ESAn ja Euroopan komission kesken. Ensimmäiset kaksi satelliittia on tarkoitus lähettää avaruuteen vuosina 2021 ja 2022, ja niiden toiminta-ajaksi suunnitellaan seitsemää vuotta. Sen jälkeen ne korvataan kahdesti uusilla.

Kaikkiaan kyseessä on siis kuuden satelliitin tekeminen. Niiden kokonaishinta on 1,3 miljardia euroa.

Suomalaista väriä jo nyt – ja tulevaisuudessa vielä enemmän

Euroopan Avaruusjärjestö ESA ja Euroopan sääsatelliittijärjestö EUMETSAT ovat valinneet Airbus Defence and Space -yhtiön rakentamaan nämä satelliitit. Airbus on puolestaan valinnut itselleen alihankkijoita, ja tiukassa kilpailussa tärkeä osa tilauksista on tulossa Suomeen: Space Systems Finland on mukana kaikkiaan kolmessa satelliittien seitsemästä havaintolaitteesta.

Espoolaisfirma osallistui jo ensimmäisen sukupolven MetOp-ohjelmaan kehittämällä satelliitteihin varmatoimisia ohjelmistoja. Tämän lisäksi SSF kehitti myös maassa tehtävään otsonidatan prosessointiin työkaluja. 

Nyt saadussa tilauksessa kyse on ohjelmistojen tekemisestä. SSF tekee kahteen mittalaitteeseen niiden toimimisen kannalta kriittisen ohjausohjelmiston. 

Ensimmäinen näistä laitteista mittaa ilmakehän kosteus-, paine- ja lämpötilaprofiileja käyttäen hyväkseen GPS-paikannussatelliittien signaalin muutosta sen kulkiessa ilmakehän eri osien lävitse. Tästä tulee laitteelle sen nimi, "radio-okkultaatioinstrumentti", eli Radio Occultation Instrument.

Toinen mittalaite, 3MI -radiometri, määrittää ilmakehän aerosoleja, pilvisyyttä, valtamerten tilaa ja maan heijastuvuutta. Laite tekee mittauksiaan kuvaamalla maapallon pinnan haijastamaa auringonvaloa eri katselukulmista.

Edellisten lisäksi SSF toimittaa havaintotietojen testaamiseen ja kalibrointiin tarkoitetun ohjelmiston Sentinel-5 -instrumentin maaprosessointiin. Sentinel-5 kuuluu rakenteilla olevaan eurooppalaiseen Copernikus-satelliittiohjelmaan, mutta on muista sen jäsenistä poiketen yksittäinen mittalaite. Siinä missä Sentinelit ovat yleensä satelliitteja, saavat Sentinelit 4 ja 5 ikään kuin kyydin  avaruuteen muiden satelliittien mukana – tämä pienentää kustannuksia. 

Sentinel-5 mittaa erittäin tarkasti ilmanlaatua, otsonia ja ilmaston muutoksia.

Tämänhetkisen suunnitelman mukaan ensimmäinen seuraavan sukupolven MetOp-satelliiteista laukaistaan avaruuteen vuonna 2019 ja toinen satelliitti seuraisi sitä kahden noin vuoden päästä.

Kaikkiaan kahdeksaa komeettaa on tutkittu avaruusluotaimien avulla, ja näissä kaikissa tapauksissa komeetan ydin on herättänyt luonnollisesti eniten kysymyksiä.

Komeetat ovat jäisiä kappaleita, jotka ovat ikään kuin jätteitä siitä kun Aurinkokunta syntyi noin 4,6 miljardia vuotta sitten.  Jään lisäksi niissä näyttää olevan pölyä ja kiveä, ja siksi niiden voisi olettaa olevan hieman vettä tiheämpiä – jos ytimet ovat tiivistä ainetta.

Koska mittausten mukaan komeettaytimien tiheys on kuitenkin hyvin pieni, on niiden oltava sisältä huokoisia tai jopa osittain onttoja. 

Nyt, ensimmäistä kertaa komeettatutkimuksen historiassa, on ydintä pystytty sondaamaan pitkän ajan kuluessa eri puolilta ja hyvin tarkasti. 

Luotaimen CONCERT-radiotutkimuslaite on paljastanut jo aikaisemmin, että kaksiosaisen komeetan “pää” on varsin tiukkaa tavaraa ainakin muutaman kymmenen metrin resoluutiolla tutkittuna. 

Viime viikolla Nature-lehdessä julkaistussa artikkelissa saksalainen Martin Pätzoldin johtama tutkimusryhmä kertoo osoittaneensa edelleen, ettei Churyumov-Gerasimenkon koko ytimessäkään ole suuria onkaloita. 

Ytimen tiheys on pieni, vain 533 kg/m³. Luku on saatu yksinkertaisesti siten, että luotaimen rataa tarkasti tutkimalla on voitu ytimen massaksi arvioida hieman alle 10 000 miljoonaa tonnia ja OSIRIS-kameralaitteiston kuvien avulla tehdyn tarkan kolmiulotteisen mallin mukaan ytimen tilavuus on  18,7 km³.

Pätzoldsin ryhmä sai tuloksensa tutkimalla hyvin tarkasti Rosetta-luotaimen radiosignaalin Doppler-siirtymää, joka johtuu siitä kun komeetan ydin vaikuttaa luotaimen kiertorataan vetovoimallaan.

Kun luotain on kiertänyt komeettaydintä eri alueiden päällä ja eri korkeuksilla, on ytimen massajakautumasta saatu siten muodostettua kartta; suuret sisäiset “tyhjät” alueet olisivat saaneet aikaan niin olennaisia muutoksia luotaimen lentoradassa, että ne olisi havaittu radiosignaalin taajuutta analysoimalla.

Radiosignaalin siirtymän paljastamisen teknisen haastavuuden lisäksi ratamuutosten laskeminen oli varsin mutkikasta.

“Meidän täytyi ottaa huomioon Auringon ja planeettojen vaikutukset lentorataan, kuten myös kääpiöplaneettojen ja asteroidien vetovoimat”, kertoo Pätzold.

“Newtonin lait kertovat tarkasti miten luotain liikkuu painovoimakentässä ja onneksi nämä kaikki pienetkin painovoimavaikutukset otetaan nykyisin rutiininomaisesti huomioon luotaimen lentorataa suunniteltaessa ja seurattaessa.”

Kerroimme Tiedetuubissa juuri ennen joulua kuinka Rosetta oli saanut yhteyden komeetan pinnalla olevaan Philaeen ja täsmensimme seuraavana päivänä, että kyseessä saattoikin olla viestin sijaan "pelkkä" interferenssi – vaikka se vaikutti omituiselta.

Uusia yhteyksiä ei sen koommin ole saatu, ja myös jouluisesta viestistä on saatu nyt lisäselvyyttä. Ja ei ole.

Miten Philae ja Rosetta puhuvat keskenään?

Yhteys Philaen ja Rosettan välillä avautuu periaatteessa siten, että yhteydestä vastaava Rosettan sähkösysteemiprosessoriyksikkö (Electrical Support System Processor Unit, ESS) on etsintämoodissa, jossa se lähettää signaaleita alas komeetan pinnale ja odottaa Philaen lähettämää vastausta.

Kun Philaen vastaanotin ottaa vastaan signaalin Rosettalta, se tarkistaa onko sillä tarpeeksi virtaa akuissaan ja onko se muuten kunnossa yhteyden muodostamiseen. Jos on, niin se lähettää vastauksen Rosettaan.

Kun Rosetta havaitsee vastauksen, se avaa yhteyden ja Philae lähettää ensi töikseen (suomalaistekoisessa) muistissaan olevat tiedot järjestelmiensä tilasta. Tämän jälkeen, jos yhteys toimii edelleen, voi Rosetta lähettää laskeutujaan myös käskysarjoja, joilla esimerkiksi ohjataan Philae tekemään uusia havaintoja tai toimimaan jollain halutulla tavalla.

Se, miten hyvin yhteys muodostuu, riippuu Philaen ja Rosettan välisestä etäisyydestä ja liikkeestä. Nyt joulukuusta alkaen Rosetta on ollut vajaan sadan kilometrin päässä komeetasta ja olosuhteet ovat suotuisat yhteyden muodostumiseen. Arvioiden mukaan Philaen laskeutumisalueella on tarpeeksi auringonvaloa sähkövirran tuottamiseen ja lämpötila on tarpeeksi korkea, jotta laskeutuja voi toimia hyvin.

Tämä tilanne jatkuu tammikuun loppuun saakka. 

Päivitys 23. joulukuuta:
Ajantasaista tietoa jatkojutussamme: signaali on saatu, mutta sitä ja sen lähdettä tutkitaan. Philae hyvin todennäköinen, mutta ei 100% varma.

Päivitys klo 20:10
Tilanne heräämisen suhteen näyttää olevan epäselvä. Tieto heräämisestä saatiin aamulla Walter Schmidtiltä ja varmistettiin toisesta lähteestä lennonjohdossa, mutta odotamme edelleen virallista varmistusta asialle. ESA tai laskeutujan tehnyt sekä sen lennohjohtona toimiva DRL eivät ole toistaiseksi varmistaneet heräämistä.

Alla on juttumme muuttamattomana, mutta heräämiseen tulee nähtävästi suhtautua vielä varauksin. Joka tapauksessa juuri näinä aikoin yrityksiä on tehty ja tiedon lähteisiin on normaalisti voitu luottaa varauksettomasti.

--------

Tätä on odotettu! Yli vuosi sitten laskeutuneeseen, Rosetta-luotaimen mukana komeetta Churyumov-Gerasimenkoa tutkimaan lähetettyyn Philae-lasketutujaan on saatu yhteys.

Philaen lennonjohto Kölnissä sai otettua vastaan 10 sekuntia kestäneen yhteyden aikana 51 telemetriapakettia laskeutujasta klo 3:17 Suomen aikaa viime yönä.

Saatu data pitää sisällään ennen kaikkea tietoja laskeutujan tilasta ja olosuhteista, missä se on. 

Uutisen suurin merkitys on kuitenkin se, että nyt tiedämme, että laskeutuja on edelleen toiminnassa ja pystyy muodostamaan yhteyden Rosetta-luotaimeen, vaikka todennäköisesti yksi sen lähettimistä ja vastaanottimista on rikkoutunut. 

Lennonjohto koettaa nyt Philaen tilan selvittämisen lisäksi lähettää sille ohjeet, joiden mukaan se tekisi heti kuin mahdollista sarjan mittauksia. Näin komeetalta saataisiin edes vähän tietoja; toiveissa on luonnollisesti se, että yhteys voisi olla pysyvämmin ja laskeutujalla voitaisiin tehdä täysi mittaussarja, ottaa kuvia ja mahdollisesti vielä tehdä niin pitemmän aikaa.

"Jos yhteys muodostuu pysyväksi, lataamme laskeutujaan jo ennalta laaditun ohjelman mittauksista ja siinä eräs ensimmäisistä mittauksista on meidän SESAME / PP", kertoo Ilmatieteen laitoksen Walter Schmidt. PP on suomalaisvetoinen tutkimus, missä Schmidt toimii tieteellisenä johtajana.