Metsähovin laserhavainnot tukevat satelliittitoimintaa ja seuraavat avaruusromua

Avaruusromua on valtavasti: aina käytöstä poistuneista satelliiteista ja kantorakettien jäänteistä astronauttien työkaluihin ja törmäyksissä syntyneisiin metallinpalasiin. Yhteiskunnan turvallisuuden kannalta on tärkeää tutkia, mitä romu on ja miten se liikkuu.

Paikkatietokeskuksen tutkijat selvittävät parhaillaan, voisiko Metsähovin satelliittilaseria käyttää avaruusromun havainnointiin. Tutkimus on osa kaksivuotista projektia Metsähovin satelliittijärjestelmä lähiavaruuden kohteiden luonnehdinnassa.

– Tehtävämme on luonnehtia lähiavaruuden kohteita ja selvittää niiden ratoja, kokoa, muotoa ja pyörimistilaa, kertoo tutkija Arttu Raja-Halli.

Tarkempi tieto lähiavaruuden kappaleista on hyödyksi esimerkiksi toimivien satelliittien häiriötilanteissa, Maahan palaavien satelliittien ennusteissa ja yrityksissä puhdistaa avaruutta romusta.

– Kappaleiden pyörimistilan tunteminen parantaa arvioita Maahan palaavan avaruusromun putoamispaikasta, kertoo Raja-Halli.

Uutta teknologiaa Metsähoviin
Metsähovin geodeettiselle tutkimusasemalle Kirkkonummelle ollaan rakentamassa vuoden sisällä satelliittilaserteleskooppi. Metsähovilla on tärkeä rooli, sillä se tulee olemaan pohjoismaiden ainoa geodeettinen perusasema globaalissa tutkimusasemaverkossa. Lisäksi sen satelliittilaserjärjestelmä on ainoa kansallinen mittalaite lähiavaruuden kohteiden tarkkailuun.

Satelliittilaserteleskooppi lähettää avaruuteen lyhyitä laserpulsseja, jotka heijastuvat takaisin satelliitissa olevasta prismaheijastimesta. Pulssin kulkuajasta saadaan satelliitin etäisyys jopa muutaman millimetrin tarkkuudella. Toistetuilla mittauksilla saadaan kohteen paikka ja rata laskettua hyvin tarkasti.

Satelliittilaserilla on helpompaa havaita heijastimella varustettuja kohteita kuin pimeitä romukappaleita. Raja-Hallin mukaan hieman yli 70:ssä romuksi muuttuneessa paikannus- tai tutkimussatelliitissa on tällä hetkellä heijastimet. Satelliiteista tulee romua esimerkiksi silloin, kun niistä on loppunut polttoaine tai niiden yhteys on katkennut.

– Heijastimella varustetut kohteet heijastavat laservaloa miljoona kertaa kirkkaammin kuin muut romukappaleet, Raja-Halli arvioi.

Satelliittilaserin ominaisuudet vaikuttavat siihen, mitä kaikkia kohteita voidaan havaita. Projektissa on selvitetty nykyisen järjestelmän suorituskykyä ja toisaalta pohdittu vaihtoehtoja laitteiston suorituskyvyn parantamiseksi. Aineistona oli 17 000 tunnettua romukohdetta, joiden radan korkeus ja poikkipinta-ala tunnetaan.

– Nykyisellä laserilla voimme havaita hyvin isoja kohteita, kuten toimintansa lopettaneen Envisat-satelliitin, joka on noin 760 kilometrin korkeudella, Raja-Halli kertoo.

Järjestelmässä käytössä oleva laser voitaisiin tarvittaessa kuitenkin vaihtaa voimakkaammaksi, jolloin samalla laitteella nähtäisiin pienempiä kohteita korkeammalta.

Aurinko tai laser valonlähteenä
– Avaruuskappaleiden havainnot voidaan jakaa aktiivisiin ja passiivisiin. Aktiivisia havaintoja tehdään esimerkiksi satelliittilaserilla, kun havaitaan kohteeseen suunnattujen laserpulssien heijastuksia. Passiivisen havainto tarkoittaa, että havaitaan kohteesta heijastunutta auringonvaloa. Passiivisissa havainnoissa käytetään tavallista optista teleskooppia, toteaa vanhempi tutkija Olli Wilkman.

Wilkman on käynyt viime vuonna läpi havaintodataa eurooppalaisilta ja aasialaisilta satelliittilaserasemilta. Wilkman on tehnyt arvioita, paljonko eri kohteista heijastuvia fotoneita havaitaan Metsähovin järjestelmällä, miten heijastimia voisi parantaa ja kuinka dataa pitäisi käsitellä. Hän on myös vertaillut optisten ja satelliittilaserhavaintojen eroja.

– Optisten eli passiivisten havaintojen avulla voidaan havaita matalilla radoilla olevia kohteita vain pimeällä juuri auringonlaskun jälkeen tai ennen auringonnousua, jolloin kohteet ovat vielä auringonvalossa, Wilkman kertoo.

Wilkman on vertaillut kahta menetelmää romukappaleiden pyörimistilan määrittämiseksi: passiivisista havainnoista saatavaa fotometriaa ja satelliittilaseria. Fotometrian avulla tutkitaan kohteen kokonaiskirkkauden muutoksia eli niin sanottua valokäyrää. Valokäyrissä näkyvistä kirkkauden muutoksista voidaan laskea kohteen pyörimisnopeus ja -akseli. Satelliittilaserhavainnoista etäisyyden muutokset erottuvat heijastimen liikkuessa lähemmäs ja kauemmas havaitsijasta. Tästä etäisyydenmuutoksesta voidaan määrittää satelliitin pyörimistila.

Romu on uhka toiminnassa oleville satelliiteille
Avaruusromukappaleita etsitään ja tarkkaillaan ympäri maailmaa suurilla tutka-antenneilla. Tutkilla tehtävien havaintojen lisänä satelliittilaserin etu on nopea reagointi ja suuri tarkkuus.

– Jos on ennakoitavissa satelliitin mahdollinen törmäys romukappaleeseen, satelliittilaseria voidaan hyödyntää nopeasti ja laskea tarkat radat ja etäisyydet kohteille. Tämän ansiosta saadaan tarkennettu arvio sille, ovatko kohteet törmäämässä, Raja-Halli kertoo.

Puolustusministeriön MATINE:n rahoittama projekti alkoi viime vuonna ja jatkuu vuoden 2018 loppuun. Seuraavaksi projektissa vertaillaan eri menetelmiä kappaleiden asennon määrityksessä, yhdistetään havaintoja ja tutkitaan pyörimistilaa kohteista, joissa ei ole heijastimia.

Lisätietoja
Vanhempi tutkija Olli Wilkman, 050 576 1064
Tutkija Arttu Raja-Halli, 050 411 8882
Sähköpostit ovat muotoa etunimi.sukunimi@maanmittauslaitos.fi