Korkealentoa Bordeaux'ssa

Euroopan avaruusjärjestö ESA tarjoaa kerran vuodessa opiskelijaryhmille mahdollisuuden päästä mukaan ns. painottomuuslennolle. ESAn koulutustoiminnasta vastaava osasto järjestää joka vuosi kilpailun, missä eri Euroopan maiden opiskelijaryhmät tekevät ehdotuksia painottomuudessa tehtäviksi kokeiksi. Näistä parhaat valitaan mukaan ja tieteellisesti kiinnostavimmille tarjotaan mahdollisuus vielä pääsyyn ammattilaislennolle myöhemmin. Viime vuonna esimerkiksi CD-ROM -levyjen polttamista painottomuudessa tutkinut suomalaisryhmä kutsuttiin nyt maaliskuussa olleelle ammattilaislennolle, koska tutkimus oli uusi ja kiinnostava.

Tänä vuonna ESAan saapui 220 ehdotusta, joista lopulta 32 valittiin mukaan. Suomesta mukaan pääsi koejärjestely nimeltä "scattering@zero-g", jonka takana ovat Mikael Granvik ja Jyri Näränen Helsingin yliopiston Observatoriosta sekä Seppo Heikkilä ja Ville Saarinen Teknillisestä korkeakoulusta. Ryhmän tarkoituksena on mitata valon takaisinsirontaa Kuun pinta-ainetta vastaavasta mineraalimateriaalista lähellä nollavaihekulmaa. Mittalaitteena ryhmällä on Helsingin yliopiston Tähtitieteen laitoksella kehitetty ja ryhmän lentoa varten muokkaama mittalaite, jollaista ei ole ennen viety mikrogravitaatio-olosuhteisiin, eli painottomaan tilaan.

Suurin osa kokeista liittyy fysiikan, ihmisen toiminnan, biologian, materiaalitutkimuksen ja robotiikan tutkimukseen. Tällä kertaa lennoilla on mukana mm. ranskalaisryhmän koe, missä tehdään maalauksia väriruiskuilla, brittiryhmä tutkii kärpäsen lentoa, espanjalaisryhmä ihmisen tasapainoaistia, saksalaisryhmä planeettojen oskillaatioita hyyteläpallojen avulla, italialaisryhmä testaa vapaastilentävää mikrorobottia, norjalaisryhmä Ncube-nimisen opiskelijavoimin tehtävän satelliitin puomin avausmekanismia, sveitsiläisryhmä veren hyytymistä ja niin edelleen. Suurista ESA-maista mukana oli useampia ryhmiä ja pienemmistä vain yksi, ja jos maasta ei ole saapunut varteenotettavaa ehdokasta, ei sieltä ole mukana ketään.

ESA-jäsenmaiden lisäksi mukaan otettiin tänä vuonna ryhmät Puolasta ja Romaniasta. Puolalaiset visualisoivat magneettikentän voimaviivoja ja romanialaisryhmä testaa elektroolyysin toimivuutta painottomuudessa.

Vapaassa putoamisliikkeessä

Painottomuuslentoja tehdään erikoisvarustellulla Airbus A300 -lentokoneella, jonka sisälle pystytään saamaan aikaan lyhytaikaisesti käytännössä painoton tila. Painottomuuslennoilla kone ohjataan tarkasti heittoliikkeen muodostamalle paraabeliradalle, jolloin kone ja sen sisusta ovat hetken aikaan vapaassa putoamisliikkeessä. Tosin verrattuna tykinkuulan lentoon tai ilmaan heitettyyn kiveen, saadaan lentokoneen paraabelista hieman suurempi ja kone voidaan ohjata pois vapaasta putoamisliikkeestä, joka muutoin päättyisi ikävään törmäykseen Maan pinnan kanssa.

Jokainen pystyy myös kokemaan painottomuuden pienen hetken ajan, kun saattaa itsensä vapaaseen putoamisliikkeeseen. Kun ihminen hyppää ilmaan, keinuu keinulaidalla, sukeltaa hypppylaudalta altaaseen tai ajaa autolla sopivalla vauhdilla terävän mäennyppylän ylitse, on hän hyvin pienen ajan painottomassa tilassa. Normaalissa elämässä vapaa putoamisliike kestää kuitenkin suurimmillaankin vain sekunnin osia, minkä vuoksi harva kiinnittää siihen mitään huomiota.

Painottomuus ei siten ole olotila, missä painovoima ei vaikuttaisi. Tilanne on sama avaruudessakin, sillä Maan vetovoima vetää astronautteja ja avaruusaluksia puoleensa lähes yhtä voimakkaasti kuin Maan pinnallakin, mutta kiertoradalla olevat kappaleet kiertävät niin vauhdikkaasti planeettaamme, että ne putoavat koko ajan maapallon pinnan ohitse. Satelliitin saaminen kiertoradalle tarkoittaa sitä, että se kyetään kiihdyttämään tarpeeksi suureen nopeuteen ja asettamaan sellaiselle radalle, missä ilmakehä ei hidasta vauhtia olennaisesti. Satelliitit, avaruusalukset ja avaruuslentäjät ovat siten myös vapaassa putoamisliikkeessä, joskin putoaminen jatkuu vain koko ajan.

Lentokoneen sisällä koettu ja avaruuslentäjien painottomuus ovat käytännössä samanlaisia, paitsi että lentokoneessa se kestää vain noin 22 sekuntia kerrallaan. Siinä ajassa lentokone pari kilometriä korkean hyppäyksen ja sen aikana koettu painottomuuden taso riippuu siitä, kuinka hyvin lentäjät ovat onnistuneet pitämään koneen paraabeliradalla. Koska ohjaaminen ei ole helppoa, on koneessa kolme lentäjää - yksi jokaista suuntaa varten. Yksi lentäjä ohjaa konetta sivusuunnassa, toinen pystysuunnassa ja kolmas säätää koneen kaasua.

ESAn lennoilla käyttämä Airbus A300 on maailman suurin ja parhaiten tutkimuskäyttöön soveltuva painottomuuslentokone. Sen omistaa ja sitä operoi Ranskan avaruusviraston CNESin omistama yhtiö nimeltä Novespace. Koneen sijoituspaikaksi on valittu Bordeaux siksi, että sen luona Atlantin päällä, Bretagnen lounaispuolella on suuri normaalin lentoliikenteen katvealue, joka on omistettu lentokoneiden koelennoille ja muille epätavallisille lentolaitteille. Virallisesti koelentokoneeksi rekisteröity painottomuuskone pystyy tekemään paraabelejaan siellä rauhassa muilta lentokoneilta. Mikäli sääolot tai liikennetilanne ei salli lentämistä Atlantin päällä, on Bordeaux'sta myös lyhyt matka Välimeren päällä Korsikan luona sijaitsevalle toiselle suljetulle lentoalueelle.

Suomalaiset ampuvat laserilla Kuun pinta-ainetta

Mukaan lennolle päässeet opiskelijaryhmät ovat joutuneet tekemään paljon työtä ennen koneeseen astumistaan. Takana on kaksi karsintakierrosta ja lentoa edeltänyt kiivas parikuukautinen aika, jolloin koejärjestelyt piti rakentaa suunnitelmista oikeiksi toimiviksi laitteiksi. Paitsi että laitteiden tulee olla tieteellisesti toimivia, pitää niiden täyttää tiukat turvamääräykset.

Suomalaisryhmän laite on epäsymmetrisen T:n muotoiseen alumiinilaatikkoon asennettu optinen penkki, missä laservalo ohjataan puoliläpäisevän peilin kautta näytteeseen, joka puolestaan heijastaa valon peilin läpäisten tähtitieteellisissä havainnoissa normaalisti käytettävään digitaalikameraan. Peili taittaa valon 90 astetta sivuun, jolloin lasersäde osuu näytteeseen lähes suorakulmaisesti ja heijastuu miltei suoraan takaisin tulosuuntaansa, missä säde osuu kameraan. Tietokone ohjaa kameraa ja tallettaa muistiinsa tuloksena saatavat epäterävää täplämäistä pistettä muistuttavat kuvat.

Koejärjestelyn ideana on tutkia valon heijastumista takaisin tilanteessa, jolloin ero saapuvan ja lähtevän säteen kulmassa on hyvin pieni. Puhutaan nollavaihekulmasta, eli saapuva ja lähtevä säde ovat käytännöllisesti katsoen samassa suunnassa; havaitsija on silloin valonlähteen ja näytteen välissä. Koelaitteessa tilanne muutetaan tosin puoliläpäisevän peilin avulla käytännössä helpommin toteutettavaksi, jolloin kameraa ei tarvitse asettaa valonlähteen ja näytteen väliin. Luonnossa nollavaihekulma ilmenee esimerkiksi täydenkuun aikaan, sillä tuolloin Maa sijaitsee Kuun ja Auringon välissä.

Näytemateriaali on Kuun pinta-ainetta vastaavaa mineraalikiviseosta, ja kun se nousee painottomuudessa leijumaan pienen näytekammion sisustaan, vastaa tilanne hyvin tarkasti olosuhteita esimerkiksi asteroidin pinnalla, missä painovoima on murto-osa Maan painovoimasta.

Tarkkaan ottaen fyysikot eivät puhu valon heijastumisesta, vaan siitä, että kohdemateriaali sirottaa valoa. Näytemateriaali on sirottaja, joka luonnossa voi olla mikä tahansa pinta, jonka valoa sirottavat hiukkaset muodostavat. Niinpä Maan pinta ja taivaanpappaleet ovat sirottajia. Ero heijastumisen ja sironnan välillä käy hyvin ilmi jälleen täysikuuta ajattelemalla, sillä täysikuu on huomattavasti kirkkaampi kuin sen pitäisi olla pelkästään kuun täyden kiekon heijastuspinta-alasta laskettuna. Ilmiöön liittyvää fysiikkaa on yritetty ymmärtää jo yli sadan vuoden ajan ja useita takaisinsirontaa selittäviä teorioita onkin olemassa, mutta lopullista selitystä ilmiölle ei ole löydetty. Miksi sironneen valon kirkkaus kasvaa voimakkaasti lähellä nollavaihekulmaa, on edelleen ilman mysteeri.

Ilmiötä ei ole koskaan ennen mitattu laboratorio-oloissa painottomuudessa, jossa olosuhteet vastaavat aineen pakkautumisen kannalta olosuhteita esimerkiksi asteroidien pinnalla. Suomalaisryhmällä on siten ainutlaatuinen tilaisuus suorittaa ensimmäiset mittaukset painottomuudessa, jotka saattavat auttaa vuosisadan ikäisen mysteerin ratkaisemisessa. Valon takaisinsironnan ja yleisesti sironnan onnistuneella mallintamisella on valtavat käyttömahdollisuudet niin tähtitieteessä kuin maan päälläkin, esim. erilaisten päällystemateriaalien suunnittelussa ja kaukokartoituksessa. Tekniikalle on käyttöä myös teollisuusprosesseissa.

Lennot nyt tällä viikolla

Koska kaikki 32 koelaitetta eivät mahdu kerralla Airbusiin, on ryhmät jaettu kahteen osaan. Näistä ensimmäiset suorittivat kokeensa jo viime viikolla, kun taas jälkimmäisen puolikkaan - ja suomalaisryhmän siinä mukana - vuoro on nyt tällä viikolla. Ensimmäisen viikon ryhmien koelaitteet purettiin koneesta perjantaina ja toisen viikon lentäjät pääsivät heti asentamaan omiaan. Sitä ennen koelaitteet oli koottu ja testattu telttahallissa, minne opiskelijaryhmille oli varattu työtilat.

Suomalaisten lento-ohjelma alkaa kuitenkin jo tänään tiistaina, kun vuorossa on totuttautumislento. Sen aikana opiskelijat pysyvät istuimissaan turvavyöt kiinnitettyinä ja koneella tehdään viisi paraabelia. Ne auttavat sopeutumaan paremmin painottomuuteen, joka painovoimaan tottuneille tuntuu aluksi varsin omituiselta olotilalta. Ensisäikähdyksen jälkeen tunne on miellyttävä ja normaalisti opiskelijat haluaisivatkin jäädä painottomuuteen pitemmäksi aikaa.

Mikael Granvik, Jyri Näränen, Seppo Heikkilä ja Ville Saarinen kommentoivat lentojaan ensi viikolla näillä sivuilla ja tuovat koelaitteensa kaikkien katsottavaksi loka-marraskuun vaihteessa Helsingin Kaapelitehtaalla pidettävään Avaruus 2003 -näyttelyyn.

Lisätietoja:

Jyri Näränen, matkapuh. 041-528 8255
Ville Saarinen, matkapuh. 050-5259669
Dosentti Jukka Piironen
Helsingin yliopiston tähtitieteen laitos, puh. 09-191 24353

ESA:n lehdistövastaava Bordeaux'ssa lentojen aikana:
Michel van Baal, puhelin +31 6 51 181553