mikropainovoima

Rahtialus vie jääkuutioita Kansainväliselle avaruusasemalle

Ma, 05/21/2018 - 18:24 Jari Mäkinen
IceCubes

Cygnus-rahtialus laukaistiin tänään kohti Kansainvälistä avaruusasemaa. Mukana on paljon ruokaa, tarvikkeita ja varaosia aseman miehistölle, mutta myös uudenlainen systeemi mikropainovoimatutkimukseen. IceCubes lainaa nanosatelliiteista tuttua konseptia ja tarjoaa mahdollisuuden tehdä tutkimusta avaruusasemalla paljon aikaisempaa edullisemmin ja kätevämmin.

Painottomuus on jännää. Kun painovoima ei ole kahlitsemassa, voidaan valmistaa jättikokoisia kiteitä, tehdä yllättäviä molekyylejä sekä sekoittaa toisiinsa nesteitä tavalla, mikä täällä Maan pinnalla ei ole mahdollista.

Painottomuudessa voidaan tehdä kummallista, vaahtomaista metallia, joka on kevyttä ja kestävää. Siellä voidaan myös valmistaa nykyistä paljon parempaa valokuitua.

Mutta miksi näin ei tehdä, jos kaikki on avaruudessa paljon paremmin kuin täällä Maan päällä?

Vastaus on yksinkertainen: koska avaruuteen meneminen on kallista ja siellä teollista tuotantoa edeltävän tutkimuksen tekeminen on myös varsin kallista. Toisin sanoen alku on aina vaikeaa, mutta lopussa kiitos seisoo.

Nyt avaruusjärjestöt ovat kuitenkin tehneet monia toimia, joilla tutkimus avaruudessa olisi edullisempaa. Nasa on käynnistänyt useita hankkeita, joilla esimerkiksi tehdään juuri nyt valokuidun valmistustestejä Kansainvälisellä avaruusasemalla.

Euroopan avaruusjärjestö puolestaan on kehittänyt yhdessä avaruusalalla olevien yritysten kanssa erilaisia konsepteja, joilla tieteellisten ja teknisten kokeiden tekeminen olisi aiempaa kätevämpää sekä halvempaa.

Yksi näistä on IceCubes. ESAn kumppanina tässä on belgialainen Space Applications Services -yhtiö.

IceCubes-räkki

IceCubes perustuu suosittuun CubeSat-konseptiin. Samaa tekniikkaa käyttäviä, samoja 10 x 10 cm moduuleja yhdistäviä laitteita voidaan nyt käyttää avaruusaseman sisällä olevien tutkimuslaitteiden tekemiseen. Kun aikaisemmin avaruusasemalla olleet tutkimuslaitteet tehtiin yksittäistapauksina ja monimutkaisten kelpuutusten kautta, voidaan nyt niitä tehdä standardoituja osia käyttäen.

Nyt Cygnus-rahtialuksen kyydissä avaruusasemalle menevä IceCubes on laitteisto, joka asennetaan Columbus-tutkimusmoduulissa olevaan räkkiin. Se on käytännössä lavetti, jonka päälle näitä standardoituja tutkimuslaitteita voidaan laittaa niin paljon, kuin tilaa lavetilla on.

Myös yhteydenpito tutkimuslaitteen kanssa käy nyt aiempaa helpommin. 

IceCubesissa on keskitetty ohjaus- ja tiedonvälityslaitteisto, jonka kautta tutkijat voivat olla yhteydessä siihen etäyhteydellä suoraan työhuoneistaan – tai vaikkapa kotisohvaltaan. 

Kontrasti aiempaan on taas suuri, sillä perinteisesti avaruusasemalla oleviin tutkimuslaitteisiin ja niitä käyttäviin astronautteihin on oltu yhteydessä erityisistä yhteystiloista, joita on ollut muutamissa paikoissa ympäri Euroopan. Ne puolestaan olivat yhteydessä ESAn Münchenin luona olevaan Columbus-laboratorion yhteyskeskukseen. Kaikki on käynyt varsin kankeasti ja joka mutkassa kustannuksia lisäävästi.

IceCubes-räkin keskustietokone tekeillä Space Applications -yhtiössä, Belgiassa.

Miten homma toimii?

Hanke on virallisesti osa ESAn miehitettyjen avaruuslentojen ohjelmaa, mihin Suomi ei osallistu. Toisaalta IceCubes on kaupallinen hanke, joten periaatteessa mikä tahansa ESAn jäsenmaassa oleva tutkimusryhmä voi käyttää sitä. Olisi jännää tietää miten käytännössä asia sujuisi suomalaisten halukkaiden kohdalla.

Joka tapauksessa periaatteessa tutkimuslaitteen lähettäminen avaruusasemalle on nyt hyvin helppoa.

1. Ota yhteyttä

Kerro IceCubesille millainen koelaite on mielessäsi. Voit tehdä sen jopa helposti tällä lomakkeella.

2. Toteuttamiskelpoisuus pohditaan

IceCubes pohtii ideaa ja katsoo, onko sen toteuttaminen mahdollista. Kun aikaisemmin periaatteena oli se, että kaikki omituinen oli kiellettyä, on nyt suhtautuminen päinvastaista: jos tutkimus on vaikea, niin nyt mietitään kieltämisen sijaan miten sen tekeminen olisi mahdollista. Mutta tietysti turvakriteerit avaruusasemalla ovat tiukat, ja joitain asioita – kuten tulta tai räjähdyksiä – käyttäviä tutkimuksia on hyvin hankalaa toteuttaa.

3. Kehitys

Tutkimuslaite tehdään yksinkertaisesti CubeSat-formaatin mukaisesti, eli se voi olla yksi tai useampi 10 x 10 x 10 cm kooltaan oleva kuutio. Sähköä se saa IceCubes-räkistä ja sen kautta siihen voidaan olla myös yhteydessä. Jos laite vaatii astronauttien käsittelyä, esimerkiksi näytteiden vaihtamista käsin, niin laitteen tekeminen on hieman vaativampaa. Tavoitteena on saada mahdollisimman automaattisia laitteita, joten ne vain asennetaan ja sitten niitä voidaan käyttää etäyhteydellä.

4. Testit

Kaikki avaruusasemalle menevät laitteet pitää testata huolellisesti. Niin IceCubes-koelaitteetkin, mutta nyt se hoituu aiempaa helpommin.

5. Laukaisu avaruuteen

Avaruusasemalle kuljetetaan rahtia neljällä erilaisella aluksella: amerikkalaisilla Cygnus- ja Dragon-aluksilla, venäläisellä Progressilla sekä japanilaisella HTV-rahtarilla. Laitteelle pitää saada järjestettyä tilaa joltain huoltolennolta. Kun aikaisemmin koelaitteen tekijän piti olla yhteydessä moneen eri tahoon, hoituu nyt laukaisun sopiminen ja varsinainen avaruusasemalle lähettäminen helposti. 

6. Käyttö avaruusasemalla

Kun tutkimuslaite saapuu avaruusasemalle, kiinnittää joku asemalla olevista astronauteista sen IceCubes-räkkiin. Tutkimuksesta riippuen sitä voidaan käyttää pitkän aikaa tai vain lyhyen aikaa, ja silloin tutkijat voivat olla siihen suoraan yhteydessä Belgiassa olevan keskuksen kautta. Siellä ei täydy olla paikalla, vaan käyttäminen onnistuu internetin välityksellä mistä vain.

7. Valmis!

Kun tutkimuslaite on toiminut ja koe on saatu päätökseen, välitetään tiedot siitä tutkimusryhmälle. Jos laite ja/tai sen sisällä olevat näytteet pitää saada takaisin Maahan, niin se onnistuu Dragon-aluksien avulla; kun aiemmin tavaran saaminen takaisin oli vaikeaa, on nyt se tullut paljon helpommaksi. Edullisinta on kuitenkin edelleen tehdä koejärjestely sellaiseksi, että sen tiedot välitetään alas, mutta laite itse voidaan pakata johonkin rahtialukseen, joka tuhoutuu ilmakehään pudotessaan.

Kuvat: Space Applications Services ja Jari Mäkinen.

Raakaöljyä avaruuteen kiinalaisaluksella

ESA on saanut juuri valmiiksi jännittävän, uudenlaisen tieteellisen koelaitteen: pieniä raakaöljysäiliöitä laukaistaan avaruuteen kiinalaisella avaruusaluksella tutkimaan kilometrien syvyydessä Maan pinnan alla olevien öljyvarantojen periaatteita.

Laite, jonka sisällä säiliöt ovat, on päättänyt juuri testaamisensa ESTECissä, ESAn Hollannissa sijaitsevassa teknisessä keskuksessa. Kokeissa laitteistoa lämmitettiin ja viilennettiin vastaamaan avaruuden olosuhteita, sekä täristettiin samalla tavoin kuin kantoraketti ravistaa sitä laukaisun aikaan. Myös paluu Maahan on varsin raju kokemus koelaitteelle, joten sitäkin jäljiteltiin testikampanjan aikana.

Koelaitteistossa on kuusi tukevaa sylinteriä, joiden sisällä on millilitran verran raakaöljyä. Öljy on paineistettu 400-kertaiseen Maan ilmakehän normaalipaineeseen, mikä on itse asiassa eräs suurimmista kostaan avaruuslaitteissa käytetyistä paineista. Sylinterien lisäksi laitteistoon kuuluu mittareita ja elektroniikkaa, sekä liitokset avaruusalukseen.

Alus on kiinalainen mikropainovoimatutkimusalus SJ-10, joka laukaistaan avaruuteen Kiinan Juiquanin avaruuskeskuksesta Gobin autiomaasta vuoden 2015 lopussa. Sen mukana on 19 muuta tutkimuslaitetta, jotka palaavat kaksi viikkoa kestävän avaruuslennon jälkeen takaisin Maahan.

Öljytutkimuslaite on ESAn, Kiinan kansallisen avaruustutkimuskeskuksen sekä ranskalaisen Total- ja kiinalaisen PetroChina -öljy-yhtiöiden yhteistyötä.

Monimutkainen, mutta suoraviivainen ongelma

Koelaitteen nimi on kaikessa karuudessaan “Raakaöljyn Soret-vaikutuskertoin”. Taustalla tutkimuksessa on se, että öljyssä, kuten muissakin sen kaltaisissa nesteissä, kevyet molekyylit ja suuremmat, ja siten raskaammat molekyylit erottautuvat toisistaan lämpötilan mukaan ja diffuusion avulla. Kun lämpötila eri puolilla nestettä on erilainen, järjestäytyvät siis nesteessä olevat molekyylit lämpötilan mukaan. Samalla nesteessä vaikuttaa myös diffuusio, eli molekyylit pyrkivät siirtymään väkevämmästä pitoisuudesta laimeampaan, jolloin lopulta pitoisuus on jotakuinkin sama eri puolilla nestettä; tästä hyvä esimerkkion sokerin sekoittuminen kahviin.

Svetisiläisen kemistin Charles Soretin mukaan nimetty Soret-kerroin on tarkaan ottaen nesteen lämpötilaeroista johtuvaa erottumista kertova luku jaettuna diffuusiota määrittelevällä arvolla.

Paineistetun öljyn tapauksessa tilanne näytekapseleiden sisällä on hieman samanlainen kuin maanalaisissa öljyesiintymissä 7-8 kilometrin syvyydessä.

“Suuren paineen ja lämpötilan yhdistelmä on merkittävä tekijä öljyesiintymissä, sillä raakaöljy kerrostuu esiintymien sisällä lämpötilan mukaan ja näyttää siis toimivan vastoin painovoimaa”, selittää ESAssa koelaitteen tekemistä valvova Antonio Verga.

“Vähitellen, geologisten aikakausien kuluessa, raskaammat aineet siis nousevat ylemmäs ja kevyemmät painuvat alas.”

“Tarkoituksemme on tutkia siis tätä asiaa mikropainovoimassa, koska silloin painovoima ei vaikuta mittauksiimme. Toivomme, että tulosten avulla voidaan parantaa kykyämme löytää lisää öljyä.”