EISCAT avaruusromumittaukset ja 3D-hanke

Jussi Markkanen, EISCAT, 3. 3. 2008

Arvioidaan, että ihmisen viisikymmentä vuotta jatkuneen avaruustoiminnan seurauksena maapallon kiertoradoilla on nykyään runsaat 200 000 vähintään senttimetrin kokoista kappaletta. Näiden joukossa on kuutisen sataa toimivaa satelliittia, mutta ylivoimaisesti suurin osa kappaleista luetaan avaruusromuksi, siis ihmisen toiminnan seurauksena kiertoradalla oleviksi kappaleiksi, jotka eivät ole enää hyötykäytössä. Suurin osa avaruusromusta on alle 2000 kilometrin etäisyydellä maanpinnasta olevilla radoilla, romujakautuman tiheysmaksimin ollessa 800-1000 km korkeudella. Avaruusromu jaotellaan pienikokoiseen eli alle kymmensenttiseen ja suurikokoiseen. Huomattava osa pienikokoisesta romusta on seurausta satelliittien ja kantorakettien räjähdyksistä (joita sattuu keskimäärin puolenkymmentä vuodessa), mutta mukana on myös kiinteää polttoainetta käyttävien rakettimoottoreiden tuottama alumiinikuona, sotilassatelliittien ydinreaktoreiden vuotanutta NaK-jäähdytysainetta, räjähtävien pulttien kappaleita, linssinsuojuksia, jne. Alle senttimetrin kokoluokassa on räjähdysjäämien ja alumiinipölyn lisäksi erilaisia rapautumistuotteita kuten irtihilseillyttä maalia.

Rakettaja on laukaistu avaruusaikana kohti kiertorataa vajaat 5000 kertaa, ja laukaisujen seurauksena kiertoradalle on päätynyt yli 30 000 suurikokoista kappaletta. Niistä noin 2/3 on ilmakehän jarruttavan vaikutuksen ansiosta jo pudonnut radaltaan ja, enimmäkseen, palanut ilmakehässä. Kiertoradalla olevaa materiaa on edelleen runsaat 5000 tonnia, ja kokonaismassa kasvaa hitaasti edelleen (vertailun vuoksi: avaruussukkulan maksimi hyötykuorma on noin 20 tonnia). Erään kiinalaisten tutkijoiden internetissä lainatun arvion mukaan nykyisellä vauhdilla, jos mitään ei tehdä, törmäysriski kasvaa niin että Maan lähiavaruus tulee käyttökelvottomaksi noin vuonna 2300. Ongelma ei ole niinkään romun kokonaismassa kuin se, että jossakin vaiheessa romutiheys kasvaa niin että voi käynnistyä ketjureaktio, jossa hajoamisten sirpaleet aiheuttavat uusia hajoamisia. Erään uuden amerikkalaisen arvion mukaan tällainen ketjureaktio on itse asiassa jo alkanut.

Suurikokoisia, siis yli kymmensenttisiä, kappaleita on kiertoradalla runsaat kymmenen tuhatta. Yhdysvaltain puolustusvoimat (USSTRATCOM) seuraa näitä kappaleita avaruusvalvontatutkillaan ja ylläpitää luetteloa kappaleiden radoista. Suurin osa luettelosta on julkista. Joidenkin mielestä liiankin julkista: hiljattain on ollut kiistaa Yhdysvaltain ja Ranskan välillä Ranskan väitettyä, että Yhdysvallat julkaisee muiden valtioiden sotilassatelliittien ratatiedot luettelossaan, mutta ei omiensa. Ranskan ilmavoimilla on vuoden 2006 alusta ollut toiminnassa 143 MHz:n taajuudella toimiva kaksiasemainen avaruusvalvontatutka GRAVES, ja Ranska on uhannut vastavuoroisesti julkistaa GRAVES-mittausten perusteella tiedot amerikkalaisten sotilassatelliittien radoista.

Ranska on muutenkin ajanut ideaa Euroopan itsenäisemmästä avaruusvalvonnasta ESAn valmisteilla olevaa, potentiaalisesti satojen miljoonien eurojen hintaista "avaruustilanteen tietoisuus-hanketta" (space situational awareness, alunperin amerikkalainen sotilastermi) ajatellen. Hankkeen tarkoituksena on kehittää ESAn johdolla Euroopan avaruusympäristön valvontaa mahdollinen kaksinaiskäyttö (sotilas- ja siviilikäyttö) huomioon ottaen. Vielä valmisteluvaiheessa oleva hanke näyttäisi käsittävän mm. avaruussään, satelliitit ja avaruusromun.

GRAVES-tutkan lisäksi Euroopassa on vain kaksi muuta tutkaa jotka pystyvät mittaamaan satelliitteja ja (varsinkin) avaruusromua. Toinen on saksalainen, kaksinaiskäytössä oleva FGAN TIRA-tutka, toinen on EISCAT. Kumpikin näistä tutkista on herkkyydeltään ylivoimainen GRAVES-tutkaan nähden ja pystyy havaitsemaan parin, kolmen senttimetrin kokoisia romukappaleita 1000:n kilometrin etäisyydeltä. Tämä herkkyys on toivottavaa satelliittien turvallisuuden varmistamiseksi, koska tämänkokoiset kappaleet ovat kiertoradan tyypillisellä 10 km/s törmäysnopeudella niin suurienergisiä, että niitä vastaan ei voi juurikaan suojautua, mutta toisaalta ne ovat toistaiseksi liian pieniä päästäkseen romuluetteloon. (Yhdysvalloilla on käynnissä hanke avaruusvalvontatutkien herkkyyden lisäämiseksi niin että muutaman senttimetrin kokoisia kappaleita pystyttäisiin jäljittämään rutiininomaisesti.)

EISCAT on mitannut avaruusromua satunnaisesti vuodesta 2000 lähtien sekä UHF-tutkallaan Tromsössä että Huippuvuorten tutkallaan. Yhteistoiminta ESAn kanssa käynnistyi vuonna 2000 Markku Lehtisen johtamana kaksivuotisena pilottihankkeena [1] Sodankylän geofysiikan observatoriossa. Hankkeessa kehitettiin perusmenetelmä EISCATin käyttämiseksi avaruusromumittauksiin ja varmistettiin koemittauksin, että ESAn edellyttämä havaitsemisherkkyys on saavutettavissa. Pilottivaihetta seurasi kaksi muuta ESAn rahoittamaa projektia (suoraan EISCATin ja ESAn väliseen sopimukseen perustuen), joissa mittausmenetelmä kehitettiin "tuotantoasteelle", niin että vuonna 2005 pystyttiin mittaamaan 700 tuntia ja tekemään 8000 romuhavaintoa [2]. ESAn keskeytettyä rahoitusvaikeuksien vuoksi hankkeen vuotta ennen alunperin suunniteltua päättymisaikaa, EISCAT on jatkanut mittauksia tavanomaisten ionosfääri-mittaustensa kylkiäisenä, tuohon mennessä rakennetun romumittausjärjestelmän avulla. Vuonna 2006 romumittauksia tehtiin 550 tuntia ja saatiin 13 700 havaintoa. Osana pitkäkestoista polaarivuosimittausta EISCAT päätti yrittää myös samanaikaista avaruusromumittausta Huippuvuorten tutkalla. Polaarivuoden avaruusromun mittauskampanja aloitettiin 11.3. 2007 ja lopetettiin 28.2. 2008. Helmikuun 2008 alkuun mennessä avaruusromumittaus oli ollut aktiivisena 5020 tuntia ja tuottanut 197 000 romuhavaintoa. Mittaus toimi automaattisesti ja yhteenveto vuorokauden tuloksista tuli vuorokauden viiveellä automaattisesti internettiin vapaasti nähtäväksi.

Polaarivuoden romumittauksen kiintoisin (joskin monen mielestä kovin murheellinen) seurattava oli Kiinan vuoden 2007 alussa 853:n kilometrin korkeudella ohjuksella tuhoaman satelliitin aiheuttama, hitaasti leviävä romupilvi. EISCATin havaintoja tästä pilvestä käytettiin kesällä 2007, ESAn ja EISCATin tutkijoiden välisen epävirallisen yhteistyön puitteissa, testaamaan ESAn romunmuodostusmallia ja sitä kautta arvioimaan räjäytyspilven kappaleiden lukumäärää eri kokoluokissa [3].

Koska GRAVES-tutka ei (ilmeisesti) pysty mittaamaan senttimetriluokan romua, ja TIRA-tutka on käytettävissä romumittauksiin vain poikkeustapauksissa, EISCAT-tutkat ovat tällä hetkellä ainoat tutkat Euroopassa, jotka ovat käytettävissä pienikokoisen avaruusromun rutiininomaiseen mittaukseen. Nykyisten EISCAT-tutkien perusongelma romumittauksen kannalta on kuitenkin se, että niiden avulla ei ole mahdollista selvittää kohteiden rataelementtejä eikä myöskään saada kunnollista arviota kohteen koosta. Suunnitteilla oleva 3D-järjestelmä voi auttaa tässä suhteessa. Vaikka 3D-järjestelmän ominaisuuksia avaruusromumittauksen kannalta ei ole varsinaisesti lainkaan selvitetty, näyttäisi mielestäni kuitenkin siltä, että 3D-tutkan monikeilaisen kolmeasemaisuuden ja kohteen seurantaan ainakin periaatteessa pystyvän nopean lähetinkeilansiirron avulla on sekä ratatietoihin että parempaan kokoarvioon mahdollista päästä käsiksi.

3D-järjestelmän herkkyys romumittauksen kannalta on myöskin vielä epäselvää. Pitempi aallonpituus ESR- ja UHF-tutkaan verrattuna on sirontavaikutusalan kannalta selvästi haitta, mutta aallonpituuden vaikutus signaalin vaihekoherenssiin ja sitä kautta signaalin integrointimahdollisuuksiin on mutkikkaampaa. Kuvassa 1 esitetty alustava, lähtöoletuksiltaan konservatiivinen arvio havaintoherkkyydestä on mielestäni joka tapauksessa rohkaiseva. Näyttäisi siltä, että jo suunnitellussa minimikokoonpanossaan (core configuration) 3D-tutkan yhdistetty lähetin- ja vastaanotinasema tarjoaisi kutakuinkin saman romukohteen havaintoherkkyyden kuin nykyinen ESR-tutka. Ainakin noin 4 cm:n kohteet pitäisi hyvin havaita silloin kun ne osuvat antennikeilan keskelle. Huippuvuorten tutkan sijainti polaariratojen kasaantumisalueella lisää havaintojen lukumääriä Huippuvuorilla Manner-Euroopan tutkiin verrattuna, joten 3D-tutkan avulla ei varmaankaan päästä Huippuvuorten polaarivuoden romumittauksen tuottamiin havaintotiheyksiin. Tästä puutteesta huolimatta minusta on jonkin verran outoa, että EISCATin 3D-hankkeen ja edellä mainitun suuren eurooppalaisen avaruustilannetietoisuushankkeen välillä ei näytä toistaiseksi olevan minkäänlaista virallista yhteyttä.

Kuva 1. EISCAT-tutkien romukohteiden havaintoherkkyys [pdf]. Pystyakselilla oleva signaalin voimakkuutta kuvaava suure on signaalin kokonaisenergian ja systeemikohinan tehospektraalitiheyden suhteen neliöjuuri. Kokemuksen mukaan romukohde on havaittavissa, kun kohde on niin iso että tämä suhde saavuttaa arvon, joka on jonkin verran suurempi kuin 5 (vaaleanharmaa vyöhyke kuvassa). Kuva on laskettu olettaen kohteen olevan 1000 kilometrin etäisyydellä, olettaen 10%:n suuruinen lähetyksen hyötysuhde, olettaen 0.1 sekunnin mittainen signaalin vaihekoherentti yhteenlasku, ja olettaen eri tutkille niille ominaiset keilanleveydet ja lähetintehot. Suunnitellulle 3D-tutkalle on laskussa käytetty keilanleveyttä 0.6 astetta, lähetintehoa 2 MW ja kohinalämpötilaa 200 K. Kuvan mukaan 3D- tutkalla pitäisi pystyä havaitsemaan ainakin kohde jonka läpimitta on vajaat 4 cm. Tämä vastaa suunnilleen ESR-tutkan herkkyyttä.

LÄHTEET

[1] J. Markkanen, M. Lehtinen, A. Huuskonen and A. Väänänen, "Measurements of Small-Size Debris with Backscatter of Radio Waves". Final Report, ESOC Contract No. 13945/99/D/CD, 2002.
Verkossa osoitteessa http://www.sgo.fi/~jussi/spade/FR_16Apr2002.pdf

[2] Markkanen J., Postila M., van Eyken A., "Small-size Space Debris Data Collection with EISCAT Radar Facilities", Final Report of ESOC Contract No. 18575/04/D/HK(SC), June 2006 Verkossa osoitteessa http://www.sgo.fi/~jussi/spade/FRIII_26july2006.pdf

[3] Krag H., Klinkrad H., Jehn R., Markkanen J. and Leushacke L.,"Detection of Small-Size Space Debris with the FGAN and EISCAT Radars". Kokouksessa Seventh US/Russian space surveillance workshop, Monterey, Ca., 29.10 - 2.11 2007 (julkaisemistiedot puuttuvat).