Tutkimus 15.3.2017

Miten avaruus valloitetaan?

Pitkäjänteisyys. Siinä sana, joka kuvaa parhaiten työtä avaruusmittalaitteiden parissa. Ennen kuin yksikään avaruuslaite singahtaa avaruuteen, on töitä sen eteen paiskittu jo vuosia.

Vuonna 2020 Euroopan avaruusjärjestö ESA laukaisee ExoMars2020-laskeutujan ja Yhdysvaltain ilmailu- ja avaruushallintovirasto NASA M2020-laskeutujan, joiden mukana Marsiin matkaa myös Ilmatieteen laitoksen paine- ja kosteusmittalaitteet. Mittalaitteiden kehitystyö on ollut käynnissä jo useita vuosia. ”Näiden laitteiden osalta työ on pitkällä, sillä painemittalaitteet luovutetaan jo tänä syksynä eteenpäin ja kosteusmittalaitteet ensi vuoden keväänä”, Ilmatieteen laitoksen tutkija Maria Genzer kertoo.

Ilmatieteen laitoksen mittalaitteiden avulla voidaan tutkia Marsin kaasukehää. ”Marsin kaasukehän tutkimusta tehdään paitsi tieteellisestä mielenkiinnosta mutta myös siksi, että naapuriplaneettamme kaasukehän käyttäytyminen muistuttaa eniten Maata. Kun maapalloa ja sen ilmakehän toimintaa tutkitaan, joidenkin ilmiöiden peittyminen merien ja kasvillisuuden vaikutuksesta vaikeuttaa tutkimusta. Karu Mars on oikeastaan yksinkertaistettu hiekkalaatikkomalli Maasta”, Genzer kuvailee. Siksi naapuriplaneetta Mars kiinnostaa myös Ilmatieteen laitoksen tutkijoita.

Dokumentteja ja rasitustestejä

Mitä kaikkea Marsiin matkaaville laitteille tapahtuukaan ennen laitteen luovutusta? Tutkija Timo Nikkanen kertoo, että kaikki avaruusprojektit alkavat sillä, että ESAn tai NASAn kaltainen avaruusjärjestö päättää, että laskeutuminen toteutetaan. Päätöksessä tuodaan esille selkeät tavoitteet, joiden pohjalta aukeaa useimmiten kaikille avoin ehdotuskilpailu siitä, millaisia mittalaitepaketteja missio voisi sisältää.

Esimerkiksi M2020-hankkeessa Ilmatieteen laitoksen laitteet hyväksyttiin mukaan osana Espanjan laajempaa laitepakettia. ”Hyväksynnän jälkeen meillä alkoi intensiivinen suunnitteluvaihe, jossa tuotettiin monenlaisia dokumentteja omia laitteitamme koskien. Dokumentit kertovat laitteiden tekniset yksityiskohdat, käyttö- ja käsittelyohjeet sekä kaikki yksityiskohdat laitteiden valmistuksesta. Jäljitettävyys on tärkeä osa projektia. Se tarkoittaa sitä, että jokaisesta komponentista ja työvaiheesta pitää olla esittää näyttöä. Tämä takaa sen, että jos laitteen kanssa tulee ongelmia, voidaan selvittää, mistä ne ovat aiheutuneet, tutkija Maria Hieta kuvailee.

Avaruuteen menevien mittalaitteiden suunnittelu ja dokumentaatio tarkistetaan erityisessä Critical Design Review -katselmuksessa. Tämän jälkeen lentomallien rakennus voidaan aloittaa. ”Jokaisesta laitteesta tehdään aina useampi mallikappale. Insinöörimalli toimii sähköisesti, mutta se ei kestä rasitusta. Insinöörimallin jälkeen rakennettava kvalifikaatiomalli taas rakennetaan korkealaatuisista osista ja se käy läpi joukon rasitustestejä, joihin taas varsinaista lentomallia ei enää alisteta”, tutkija Timo Nikkanen selittää.

Avaruuslaitteet eroavatkin muista laitteista siinä, että niiden tulee kestää avaruuden vaikeita olosuhteita. Ilmatieteen laitoksella on käytössä oma testilaboratorio, jossa avaruuslaitteet voidaan altistaa +180 – -72 asteen lämpötiloille. Lisäksi laitetta testataan sekä Marsin painealuetta vastaavissa olosuhteissa että tyhjiössä. Lopuksi laitteet käyvät läpi mekaanisia rasituskokeita, joissa laitteet joutuvat kokemaan erilaista tärinää ja iskuja, joille ne altistuvat muun muassa heti raketin laukaisuvaiheessa.
”Tällaisia tiukasti kontrolloituja testejä tehdään sekä Ilmatieteen laitoksen omissa tiloissa että VTT:llä. Virallisista testeistä saadaan tarkat tiedot ja numeeriset raportit siitä, millaista esimerkiksi tärinä on ollut profiililtaan ja kuinka suuria iskuja laitteen on mahdollista kestää”, Hieta kertoo.

Vasta kun on varmistettu, että laite kestää avaruuden laitteille suorastaan vihamieliset olosuhteet, alkavat laitteiden kalibroinnit, joilla varmistetaan, että laitteiden tekemät mittaukset ovat täsmällisiä. Yhden laitteen kalibroiminen voi kestää helposti puolisen vuotta.

Testaukset eivät kuitenkaan pääty tähän. Kun M2020-laskeutujaan tarkoitettu varsinainen lentomalli lähetetään ensi syksynä ensin Espanjaan, sille tehdään heti aluksi sisääntulotarkistus. Siinä varmistetaan, että laite toimii, kuten dokumentaatiossa on kerrottu. Espanjassa kosteus- ja painelaitteet yhdistetään isompaan mittalaitepakettiin ja sen toimintaa testataan paketin osana. Kun tämä vaihe on valmis, koko laitepaketti lähetetään NASAlle, jossa se integroidaan laskeutujan mukana olevaan kulkijaan. Kulkija sisältää useita erilaisia mittalaitepaketteja, joten tässäkin vaiheessa tehdään yhteiskäyttötestejä, jotta kaikki osaset toimivat varmasti myös yhdessä.

”Avaruuteen ei kelpuuteta mitä tahansa erikeepperiä”

Avaruuslaitteiden kokoaminen on oma taiteenlajinsa. ”Tehtävää hankaloittaa se, että avaruuslaitteiden osia ei saa ostettua mistä tahansa tavaratalon hyllyltä, vaan kaikkien käytettävien materiaalien tulee löytyä avaruuskelpoisten materiaalien listoilta. Tämä koskee kaikkia osia elektroniikkakomponenteista liimoihin saakka, joten materiaalien ja komponenttien etsiminen vie aikaa. Yleensä tämä tarkoittaa myös tukeutumista erilaisiin yhteistyöverkostoihin, jotka voivat auttaa hankinnassa”, Genzer kertoo.

Kun kaikki osat on tavalla tai toisella saatu hankittua, laitteet kootaan Ilmatieteen laitokselle tätä tarkoitusta varten rakennetussa puhdashuoneessa. Kokoaminen vaatii käsityötä ja ainutlaatuista osaamista, sillä esimerkiksi mittalaitteiden valmistamisessa tarvittava elektroniikan juottaminen vaatii erityisen juottamiskurssin käyntiä. ”Tällaisen on käynyt läpi vain muutama suomalainen”, Nikkanen huomauttaa.

Meillä osataan viedä avaruusprojekti läpi alusta loppuun.

Suomella hyvä maine luotettavien laitteiden valmistajana

Suomelle on vuosien varrella muodostunut maine luotettavien ja korkealaatuisten laitteiden valmistajana.
”Erityisen merkittävä asia on ollut se, että käytämme mittalaitteissamme hyväksi Vaisala Oyj:n komponentteja. Vaisala on maailmalla hyvin tunnettu ilmakehämittalaitteiden valmistaja ja tiiviin yhteistyön ansiosta Maassa käytettäviä antureita on saatu räätälöityä Marsin kaasukehää varten. Tällä hetkellä meillä ei oikeastaan edes ole varteenotettavia kilpailijoita, sillä laitteemme ovat pieniä ja energiatehokkaita. Avaruuslaitteiden valmistamisessa energiapiheys ja pieni massa ovat niiden tärkeimpiä ominaisuuksia”, Nikkanen sanoo. ”Toisaalta meillä on myös toinen etu – me hyödynnämme laitteiden mittaustuloksia itse. Suomesta ei löydy vastaavaa paikkaa, jossa osattaisiin viedä avaruusprojekti tällä tavoin läpi alusta loppuun. Meillä hallitaan koko ketju”, Genzer toteaa ylpeänä.

Teksti:
Kuvat:

Tero Pajukallio, Markku Mäkelä