Vaisalan antureiden matka planeetoille

Istuin nuorena Ilmatieteen laitoksen tutkijana Vaisalan neuvotteluhuoneessa syksyllä 1988. Kokoukseen osallistui Vaisalasta laaja tuotekehitystiimi, ryhmät Ilmatieteen laitokselta ja Ranskasta sekä Nasan lähettämä delegaatio. Kokouksen aiheena oli Marsin tutkimus pienten pinnalle laskeutuvien tutkimusasemien avulla ja Vaisalan mittausantureiden käyttäminen tutkimuslaitteissa.

Vaisala oli tullut mukaan Mars-tutkimukseen, kun Ilmatieteen laitos aloitti kansainvälisen Mars 92 -ohjelman METEGG-laskeutujien toteutettavuusselvityksen vuoden 1988 alussa. Tuossa selvityksessä Vaisalan vastuulla oli METEGG-laskeutujan päätietokoneen sekä kaasukehän havainnointi-instrumentin määrittely ja suunnittelu. Neuvottelu Nasan delegaation kanssa oli osa tätä tutkimustyötä.

Olin pari kuukautta aikaisemmin aloittanut tutkijan uran Ilmatieteen laitoksella ja katselin ympärilleni vaikuttuneena. Onneksi arvokkaan tuntuiset vanhemmat tieteenharjoittajat sekä Vaisalan johtajat osoittautuivat mukaviksi persooniksi. Vieressäni istui muuan NASAlla työskentelevä James Pollack, jonka kanssa kävin mielenkiintoisia keskusteluja. Hän oli kiinnostunut Ilmatieteen laitoksen työstä ja yleensä Suomesta. Myöhemmin minulle selvisi, että kyseinen herra Pollack oli yksi pääkirjoittaja julkaisussa, jossa mallinnettiin ydinaseiden paikallisenkin käytön aiheuttama ydintalvi, joka aiheuttaisi maailmanlaajuisen katastrofin. Näin suurvaltojen ydinasedoktriini muuttui. Tuo tutkimustyö perustui herra Pollackin simulointeihin Marsin kaasukehästä. Marsin tutkimuksella oli tuolloin valtava geopoliittisesti positiivinen sivuvaikutuksensa. 

Kokous jatkui ja Nasan delegaatio suhtautui hyvin positiivisesti Vaisalan tuotteisiin sekä yhteistyöhön suomalaisten kanssa. Toki tekniset analyysit oli jo tehty aiemmin, mutta tämä kokous oli muodollinen vahvistus tiiviin yhteistyön alkamiselle. Tästä alkoi Vaisalan osalta pitkä kansainvälinen yhteistyö planeettojen kaasukehien tutkimisessa. 

Marsin kaasukehän dynamiikka muistuttaa Maan ilmakehää

Mars on kiinnostava tutkimuskohde, koska se on Maan sisarplaneetta ja se on helpoiten luotaimilla lähestyttävissä oleva planeetta. Näin siis tutkimusluotainten lähettäminen Marsia kiertävälle radalle on kohtuullisin panoksin mahdollista. Marsin pinnalle pääseminen taas on huomattavasti vaikeampaa, kuten epäonnistuneiden laskeutumisyritysten sarja todistaa: noin joka toinen laskeutumisyritys on onnistunut.

Marsin pinnan lämpötila päiväntasaajalla vaihtelee iltapäivän 20 celsiusasteesta aamuyön -80 celsiusasteeseen. Korkeilla leveysasteilla lähellä napoja saavutetaan talvisin -130 celsiusastetta. Kaasukehän paine on noin sadasosa Maan ilmakehän paineesta. Kaasukehä on hyvin kuiva, mutta vettä on Marsin pintakerroksessa sekä valtavina jäätiköinä navoilla. Marsin ja Maan pyörähdysaika akselinsa ympäri sekä akselin kallistuskulma ovat samansuuruiset, joten Marsin kaasukehän dynamiikka on hyvin samankaltainen Maan ilmakehän kanssa. Vaisalan anturit siis soveltuvat hyvin Marsin tutkimiseen.

Vaisalan ja Ilmatieteen laitoksen yhteistyömalli muotoutui jo 1990-luvulla

1990-luvun alussa Vaisala päätti keskittyä antureiden tarjontaan Mars-laskeutujia varten. Työnjako sovittiin niin, että Vaisala valmisti anturit ja opasti Ilmatieteen laitosta antureiden käytössä, Ilmatieteen laitos kvalifioi anturierät avaruusmatkaa varten sekä suunnitteli ja rakensi avaruuslaatuiset mittalaitteet. Yhteistyömme on ollut tiivistä kaikkien työvaiheiden aikana. Tästä muodostui yhteistyömalli, jonka pohjalta on valmistunut suuri määrä avaruuteen lentäneitä ja siellä toimineita tutkimuslaitteita. 

Mars-92-ohjelman laukaisua siirrettiin vuoteen 1996 ja samalla ohjelman nimeksi tuli Mars-96. Tässä vaiheessa mukana oli jo lukuisia suomalaisia teollisuusyrityksiä, jotka toimivat Tekesin rahoittamina. Vaisalalla oli anturitoimittajana keskeinen rooli tutkimusohjelman tulosten kannalta. 

Mars-96 laukaistiin ajallaan marraskuussa 1996, mutta laukaisu epäonnistui. Raketti kiersi maapalloa seitsemän kertaa, kunnes se syöksyi ilmakehään ja raketin kappaleet putoilivat Andeille ja Tyyneen valtamereen. Tämä oli valtava pettymys, mutta siitä toivuttiin. Päätimme tästä eteenpäin pyrkiä osallistumaan instrumenttitoimittajana useaan avaruusohjelmaan riskin hajauttamiseksi.

Tämä osoittautui hyväksi päätökseksi. Ilmatieteen laitos ja Vaisala ovat yhdessä kehittäneet korkealaatuisia tuotteita planeettojen kaasukehien paine- ja kosteushavaintoihin. Ensimmäinen suuri menestys Marsissa saatiin vuonna 2008, kun Phoenix-tutkimusalus laskeutui onnistuneesti Marsin pohjoisosaan. Sen kyydissä oli Ilmatieteen laitoksen paineinstrumentti ja Vaisalan erikoisvalmisteisia BAROCAP-antureita. Aiemmin yhteistyön tuloksena oli jo syntynyt erittäin menestyksekäs Saturnuksen kuun Titaanin kaasukehän paineprofiilia painealueella 0–1.5 bar havainnoiva mittalaite Cassini/Huygens-luotaimen kyydissä. 

Vuonna 2012 Marsiin laskeutunut Mars Science Laboratory MSLCuriosity-kulkija oli valtaisa onnistuminen. Sen kyydissä olevat Ilmatieteen laitoksen mittalaitteet ja Vaisalan paine- ja kosteusanturit ovat nyt jo toimineet menestyksellisesti yli kahdeksan vuotta. 

Olemme pystyneet tuottamaan Marsin kaasukehästä pitkäkestoisimmat paineen ja kosteuden aikasarjat MSL-kulkijan kyydissä olevien laitteiden avulla – ja tämä aikasarja jatkuu edelleen. Painehavaintosarja kertoo kauniisti planeetan vuodenaikasyklin tapahtumista, kun 30 prosenttia kaasukehästä tiivistyy navoilla ja vapautuu takaisin kaasukehään. Paikallisesti havainnot ovat auttaneet meitä ymmärtämään kaasukehän ja marsperän vuorovaikutusprosesseja, vuorokausisyklin virtauksia sekä muita mikrosääilmiötä havaintopisteen lähistöllä. 

Perseverance jatkaa menestyksekästä yhteistyötä 

Vaisalan ja Ilmatieteen laitoksen yhteistyö Mars-tutkimuksessa jatkuu. Helmikuussa 2021 Marsiin laskeutuu jälleen NASAn Perseverance-kulkija, jonka kyydissä on samantyyppiset paine- ja kosteusmittalaitteistot kuin MSL-kulkijassakin. Samankaltaiset mittalaitteet ovat myös vuonna 2022 laukaistavan ESAn ExoMars-kulkijan kyydissä. 

Yhteistyön tuloksena on syntynyt tuoteperhe, jossa mittalaitteiden laatua parannetaan kerrasta toiseen. Samalla peräkkäisten ohjelmien tutkimustulokset ovat hyvin vertailukelpoisia. 

Alussa kuvattu kokous Vaisalassa päättyi mukavissa merkeissä – Vaisalan tuotteiden laatu ja tutkimushenkilöstön motivaatio vakuuttivat ulkomaiset delegaatiot. Samanlaisia neuvotteluja on viimeisten 30 vuoden aikana pidetty valtaisa määrä. Ensi keväänä odottelemme taas uutta onnistumista, kun NASAn Mars2020 Perseverance -kulkija laskeutuu Marsiin. Tälläkin kertaa sillä on mukanaan tarkkoja mittalaitteita Ilmatieteen laitoksen ja Vaisalan yhteistyön tuloksena. 

Kirjoittaja: Yksikönpäällikkö tutkimusprofessori Ari-Matti Harri, Avaruustutkimus ja havaintoteknologiat, Ilmatieteen laitos