Ihmiskunnan etuvartio avaruudessa

Olemassaolonsa aikana Kansainvälinen avaruusasema on tarjonnut tutkijoille ainutlaatuisen mahdollisuuden tutkia erilaisia ilmiöitä painottomassa tilassa. Asema on antanut uutta tietoa painottomuuden vaikutuksesta ihmisen elimistöön ja auttanut valmistautumaan matkoille entistä kauemmas avaruuteen.

Seuraava vaihe vie vielä kauemmas: ISS:n seuraaja rakennetaan Kuuta kiertävälle radalle.

Irti painovoimasta

Tutkijoita kiinnostaa avaruudessa ennen kaikkea kaksi asiaa: kosminen säteily ja painottomuus. Jo viisikymmentä vuotta sitten tutkijoille valkeni, että näitä ilmiöitä voidaan tutkia vain sellaisessa laboratoriossa, joka sijaitsee Maan ilmakehän ulkopuolella. Siksi suurvaltojen kilpailua Kuun valloituksesta seurasi pian kilpa ensimmäisen avaruustukikohdan rakentamisesta.

Vuonna 1971 – vain kymmenen vuotta sen jälkeen, kun Juri Gagarin oli ensimmäisenä ihmisenä käynyt avaruudessa – Neuvostoliitto lähetti Maata kiertävälle radalle maailman ensimmäisen avaruusaseman Saljut 1:n.

Saljut 1 oli 20 metriä pitkä lieriön muotoinen asema, jossa kosmonauteilla oli sata kuutiometriä tilaa asua ja työskennellä. Asema oli käytössä 175 päivää.

Lyhyestä urastaan huolimatta Saljut 1 tuotti paljon uraauurtavaa tietoa muun muassa tuolloin ainoasta tunnetusta Aurinkokunnan ulkopuolisesta röntgensäteilyn lähteestä, Scorpius X-1 -tähdestä.

Saljut 1:n teleskoopilla tehtyjen havaintojen ansiosta tiedetään, että Scorpius X-1 on neutronitähti, joka on sulauttamassa itseensä itseään pienemmän naapuritähtensä.

Neutronitähtihavaintoja ei olisi voitu tehdä Maasta, koska täällä ilmakehä aiheuttaa teleskoopin kuvaan häiriöitä. Lyhyillä avaruuslennoilla taas kohdetta ei ehditä havainnoida riittävän pitkään.

Neutronitähden tutkimus oli merkittävää siksikin, että on tärkeää tuntea eri tähtityypit ja niiden yleisyys ja rakenne, jotta voidaan rajata elämälle suotuisten planeettojen etsintä vain sellaisiin tähtiin, joiden ympärillä niitä voi esiintyä.

Teleskooppi paljasti Auringon ulko-osat

Vuonna 1973 Saljut sai seuraajakseen yhdysvaltalaisen Skylab-avaruusaseman. Sen tehtävänä oli muun muassa tutkia Auringon säteilyä. Sitä varten Skylabin varusteena oli Apollo-teleskooppi, jossa oli kaikkiaan kahdeksan erilaista instrumenttia, muun muassa röntgenteleskooppi ja ultraviolettisäteilyä havainnoiva spektrografi.

Skylabin laitteistolla auringonvaloa voitiin tarkkailla ennennäkemättömän yksityiskohtaisesti ja hajottaa se yksittäisiin aallonpituuksiin, kun ilmakehä ei pilannut näkymiä. Skylabin ansiosta päästiin selville muun muassa siitä, mistä aineista Auringon ulko-osat koostuvat.

Skylabin teleskoopit ottivat 127 000 kuvaa Auringosta ja bongasivat ensimmäistä kertaa Auringon uloimmassa kaasukehässä eli koronassa niin sanottuja auringonpilkkuja.

Auringonpilkut ovat kohtia, joissa voimakas magneettikenttä estää kuumaa plasmaa virtaamasta Auringon sisuksista koronaan. Nämä kohdat ovat noin tuhat astetta viileämpiä kuin ympäristönsä, ja koska lämpötila vaikuttaa myös väriin, kohdat erottuvat taustastaan tummina läiskinä.

Skylabin miehistöön kuulunut astronautti Edward Gibson oli ensimmäinen ihminen, joka pääsi valokuvaamaan avaruudesta niin sanottuja protuberansseja. Ne ovat kaasupilviä, joita magneettikentän silmukka kannattelee Auringon pinnan yläpuolella. Auringon reunalla tummaa taustaa vasten ne näyttävät hohtavilta kaarilta.

Protuberanssi voi purkautua räjähdysmäisesti koronan massapurkauksen yhteydessä. Koronan massapurkaukset ovat kaasupurkauksia, joiden vaikutus voi tuntua Maassa asti ja pahimmillaan häiritä sähköverkkoja maailmanlaajuisesti.

Pysyvästi avaruuteen

Skylabin neljäs miehistö teki ennätyksen avaruudessa oleskelussa, kun sen astronautit olivat Maata kiertävällä radalla 84 päivää yhteen menoon. Saljutin tavoin myös Skylab jäi kuitenkin tyhjäksi aina, kun miehistön komennus päättyi. Tutkijoiden haaveissa oli pysyvästi miehitetty avaruusasema, jossa voidaan tehdä pitkäkestoisia tutkimuksia.

Haave alkoi toteutua vuonna 1986, kun Neuvostoliitto lähetti uuden avaruusasemansa Mirin (”rauha” tai ”maailma”) ensimmäisen moduulin avaruuteen. Kun asema saatiin kunnolla käyttövalmiiksi, se oli miehitettynä yhteen menoon vuodesta 1989 vuoteen 1999 eli kaikkiaan 3 644 päivää.

Mir oli ensimmäinen avaruuslaboratorio, jossa voitiin tehdä kuukausia ja jopa vuosia kestäviä tutkimuksia ja havainnointeja. Miristä tarkkailtiin tähtiä ja niiden planeettoja, mutta ennen kaikkea siellä tutkittiin avaruuden vaikutuksia asemaan ja sen henkilökuntaan itseensä.

Mir oli alku sille tutkimukselle, jota nyt tehdään Kansainvälisellä avaruusasemalla.

Säteily uhkaa avaruusmatkalla

Avaruudessa suurin vaara ihmiselle on kosminen säteily.

Säteily koostuu atomiytimista eli atomeista, jotka ovat menettäneet elektronejaan matkallaan maailmankaikkeuden läpi. Ilman elektroneja atomiytimet ovat sähköisesti varautuneita ja alttiita magneettikenttien vaikutukselle.

Maapalloa suojaa kosmiselta säteilyltä magneettikenttä, jonka voimaviivat kulkevat etelänavalta pohjoisnavalle ja tekevät lenkin kymmenientuhansien kilometrien päähän avaruuteen. Magneettikentän voimaviivat torjuvat suurimman osan säteilyhiukkasista, joten maapallon pinnalle pääsee niistä vain murto-osa.

Jos säteilyhiukkaset pääsisivät esteettä Maan päälle, ne tekisivät soluissa pahaa jälkeä. Seurauksena olisi muun muassa syöpää ja hermovaurioita.

Kun tulevaisuudessa lähetetään retkikunta Marsiin, sen jäsenet joutuvat avaruuslennon aikana kuukausia jatkuvan säteilypommituksen kohteeksi.

Jotta retkikuntalaisten suojaksi osataan valita parhaat materiaalit, tarvitaan valtava määrä tietoa säteilyn vaikutuksista elimistöön.

Kansainvälisellä avaruusasemalla seurataan kosmista säteilyä jatkuvasti. Sitä mitataan muun muassa termoluminesenssidosimetreillä eli lämpöloisteannosmittareilla, joita on eri puolilla asemaa.

Mittarissa on kide, jonka elektronit nousevat säteilyn energian vaikutuksesta hetkeksi epävakaalle energiatasolle.

Kun elektronit palaavat lähtötasolleen, niistä vapautuu valona sama energiamäärä, joka nosti ne korkeammalle tasolle. Tämän valon voimakkuudesta voidaan määrittää säteilyn määrä aseman eri kohdissa.

Vaikka Maan magneettikenttä suojaa myös Kansainvälistä avaruusasemaa, avaruudessa säteilyaltistus on suurempi kuin Maan päällä, koska myös ilmakehä torjuu osaltaan säteilyä.

Oleskelu avaruudessa on terveysriski. Kun Maan päällä keskimäärin 20 ihmistä sadasta on vaarassa sairastua hengenvaaralliseen syöpään, Kansainvälisen avaruusaseman astronauteilla luku on 23 sadasta.

Pudotus luo painottomuuden

Toinen avaruusaseman tutkimusvaltti on painottomuus. Maan päällä on vaikeaa tutkia, miten painottomuus vaikuttaa eliöihin ja erilaisiin ilmiöihin.

Yksi mahdollisuus on tehdä kokeet niin sanotussa nollagravitaatiolentokoneessa, joka lentää parabolista eli aaltomaista rataa. Kun tietyssä vaiheessa rataa moottorit sammutetaan ja lentokoneen annetaan pudota vapaasti, koneen sisällä koetaan lähes painoton tila, koska sisällä kaikki kappaleet ovat vapaassa putoamisessa Maata kohti ja ilmanvastus kohdistuu vain koneen runkoon.

Vapaata putoamista voidaan kuitenkin jatkaa vain puolisen minuuttia. Sitten lentokone on taas oikaistava.

Painottomuustutkimuksia voidaan tehdä myös lähettämällä koelaitteisto raketilla avaruuteen, josta se sitten putoaa takaisin Maahan. Vapaan putoamisen aikana anturit ja kamerat rekisteröivät koelaitteistossa tapahtuvat muutokset. Tällöinkin painottomuus kestää enintään noin 13 minuuttia.

Siksi pitkiä koejaksoja varten on päästävä tekemään tutkimusta avaruusasemalle.

Nesteet yllättävät avaruudessa

Kansainvälinen avaruusasema kiertää Maata noin 400 kilometrin korkeudessa. Sielläkin se on vakaasti Maan painovoimakentän piirissä. Astronauttien kokema painottomuus johtuukin siitä, että avaruusasema on vapaassa putoamisessa kohti Maata.

Samanaikaisesti asema kuitenkin liikkuu sivusuunnassa yhtä nopeasti kuin se putoaa. Siksi asema putoaa tavallaan eteenpäin.

Avaruusaseman putoaminen voisi periaatteessa kestää loputtomiin, mutta ilma­kehän ylin osa ulottuu sen kiertoradalle asti ja ilmanvastus hidastaa sen kulkua.

Aseman sivusuuntaista nopeutta onkin aika ajoin kiihdytettävä ohjausraketeilla, minkä vuoksi avaruusaseman vapaa putoaminen on voinut jatkua yli kaksi vuosikymmentä.

Yksi ISS:n painottomuustutkimuksen pääkohteista on se, miten nesteiden käyttäytyminen muuttuu painottomassa tilassa.

Painovoima vaikuttaa nesteiden ominaisuuksiin monella tavoin. Maan päällä nesteet, jotka eivät sekoitu toisiinsa, kuten vesi ja öljy, asettuvat kerroksittain, koska painovoima vaikuttaa niihin eri tavalla.

Koska öljyn tiheys on pienempi kuin veden, se asettuu vesikerroksen päälle. Painottomassa tilassa sen sijaan nesteet eivät asetu toistensa päälle kerroksiksi, vaan ne ovat lomittain öljy- ja vesipisaroina.

Toisaalta Kansainvälisella avaruusasemalla on havaittu, että vesi ja hunaja, jotka Maassa sekoittuvat vaivattomasti, eivät aina sekoitu avaruudessa.

Tieto nesteiden sekoittuvuudesta tai sekoittumattomuudesta avaruudessa on ratkaisevan tärkeää, kun suunnitellaan rakettien polttoainesäiliöitä ja -pumppuja.

Rakettimoottorissa käytetään yleensä kahta nestettä: polttoainetta ja hapetinta, jota tarvitaan, jotta polttoaine palaa.

Nesteet sekoittuvat rakettimoottorin polttokammiossa, ja sytytyshetki säädetään sekunnin murto-osan tarkkuudella. Jos nesteet yhtäkkiä käyttäytyvätkin poikkeavalla tavalla, seuraukset voivat olla tuhoisat.

Toinen ilmiö, jota ei esiinny painottomuudessa, on sedimentaatio. Siinä nesteeseen sekoittuneet hiukkaset ajan mittaan laskeutuvat jollekin pinnalle kerrokseksi.

Koska sedimentoituminen johtuu painovoimasta, avaruudessa voidaan yrittää sekoittaa metalleja uudella tavalla ja luoda aineita, joita ei voida valmistaa Maassa.

Painottomassa tilassa luodusta sedimentoitumattomasta alumiini-lyijyseoksesta on kaavailtu itsevoitelevia kuulalaakereita vaikkapa vieraita taivaankappaleita tutkiviin robotteihin ja mönkijöihin.

Tutkimuskohteena ovat myös astronauttien omat ruumiinnesteet. Kun painovoima ei vedä nesteitä alaspäin, ne virtaavat vapaasti.

Se lisää muun muassa painetta pääkallossa, mikä on aiheuttanut astronauteille näköongelmia. Ratkaisuksi kaavaillaan avaruusaseman henkilökunnalle työasua, joka puristaa elimistön nesteitä kohti alavartaloa.

Harjoitusta Mars-matkaa varten

Painovoiman puute on aiheuttanut myös puhtaanapito-ongelmia.

Hahtuvien ja villakoirien pölyhiukkasia pitää koossa staattinen kitka, mutta kun villakoira kasvaa kyllin isoksi, painovoima hajottaa sen.

Kun avaruusasemalla painovoima ei hajota pölyhahtuvia, ne voivat kasvaa miten suuriksi tahansa.

Lisäksi pölyhahtuvat leijuvat joka suuntaan ja ehtivät tukkia esimerkiksi ilmansuodattimia paljon nopeammin kuin avaruusaseman suunnittelijat olettivat.

Kansainvälisen avaruusaseman asukkaiden siivouspuuhat tuottavatkin tärkeää tietoa, jota tarvitaan, kun suunnitellaan aluksia pitkiä avaruuslentoja varten. Niillä ilmansuodattimen tukkeutuminen voisi olla kohtalokasta, kun apua ei ole saatavissa Maasta.

Siivousongelmat ovat kuitenkin pientä verrattuna siihen, miten painottomuus vaikuttaa yksinkertaisiinkin ruumiintoimintoihin. Painottomuus vähentää esimerkiksi lihasten jännitystä, joka on tärkeää suunta-aistille.

Siksi käsitys siitä, mikä on ylhäällä tai alhaalla tai sivuilla, katoaa helposti avaruudessa. Tämän vuoksi esimerkiksi avaruusasemalla kaikki seinillä olevat tekstit ovat samoin päin.

Lihasjännityksen puute johtaa myös siihen, että lihasvoima heikkenee nopeasti painottomuudessa. Tutkimusten mukaan jo 11 päivän avaruudessa oleskelun jälkeen ihminen on menettänyt lähes viidesosan lihasmassastaan.

Astronauttien lihasvoiman ylläpitämiseksi on kehitetty erikoiskuntoilulaitteita. Koska tavalliset levypainot eivät juuri paina avaruudessa, lihaksille luodaan vastusta tyhjiöpumppujen avulla.

ISS:n astronauttien päiväohjelmaan kuuluu useiden tuntien treeni joka päivä. Kuntolaitteita tarvitaan myös tulevalle Marsin-retkikunnalle ehkäisemään lihaskatoa. Matka Marsiin ja takaisin kestää ainakin kymmenen kuukautta.

Niin pitkä oleskelu painottomuudessa voi viedä jopa 40 prosenttia ihmisen lihasvoimasta, vaikka hän treenaisi säännöllisesti matkan aikana.

Painottomuus ei vaikuta ainoastaan aisteihin ja lihaskuntoon, vaan se voi käydä myös sydämelle. Kun ihminen seisoo Maassa, painovoima vetää verta niin, että se virtaa myös sydämen alapuolella oleviin elimiin.

Avaruusasemalla astronauttien veri pyrkii pysymään rinnan korkeudella ja päässä, koska mikään voima ei pakota sitä vartalon alaosaan. Seurauksena voi olla huimausta ja jopa aivoverisuonten vaurioita.

Avaruusaseman astronauttien kokemukset ovat tuottaneet uutta tietoa myös siitä, miksi vanhoja ihmisiä usein huimaa. Lisäksi niiden pohjalta ehkä voidaan kehittää lääke, jolla suojataan astronauttien aivoja pitkillä avaruuslennoilla.

Avaruusasema lähtee Kuuhun

Kaikki se tieto, jota on koottu niin Saljutissa ja Skylabissa kuin Kansainvälisellä avaruusasemallakin, on pohjana avaruuden valloituksen seuraavalle vaiheelle eli Kuuta kiertävän avaruusaseman rakentamiselle.

Kansainvälinen avaruusasema jää näillä näkymin eläkkeelle 2028. Silloin sen seuraajan LOPG:n (Lunar Orbital Platform-Gateway) on määrä olla jo kiertoradallaan 385 500 kilometrin päässä Maasta.

Kuuta kiertävällä radalla avaruusasema ei ole enää Maan magneettikentän suojissa, vaan siihen kohdistuu yhtä armoton säteily kuin muuallakin avaruudessa.

Siellä on ensimmäistä kertaa mahdollista tutkia todenmukaisissa olosuhteissa niitä tekijöitä, joille ihminen oikeasti altistuu, kun avaruuslennot muille planeetoille aikanaan tulevat mahdollisiksi.

Suunnitelmien mukaan LOPG:llä työskentelee kuusi astronauttia kerrallaan. Laboratoriotutkimusten ohella heidän on määrä ohjailla robotteja ja mönkijöitä, jotka luotaavat Kuun pintaa. Erityisesti tutkijoita kiinnostaa se, mitä on Kuun sillä puolella, joka on kääntynyt Maasta poispäin.

Tulevaa kuuasemaa ei olisi mahdollista rakentaa ilman sitä tietoa painottomuudesta ja muista avaruuden olosuhteista, joita aikaisemmilla avaruusasemilla on kerätty.

Kuuta kiertävällä radalla puolestaan jatketaan tutkimusta, joka voi viedä ihmisen muille taivaankappaleille.

LOPG:tä on kaavailtu myös väliasemaksi pitkille avaruuslennoille. Siellä esimerkiksi Marsin-retkikunta voi levähtää ja lastata alukseensa tarvikkeita, ennen kuin matka jatkuu kohti naapuriplaneettaa.