ESAn satelliitit tuovat kuituoptiikan kiertoradalle
ESAn SMOS-satelliitti on näinä päivinä aloittamassa varsinaisen tutkimustyönsä puoli vuotta kestäneen käyttöönottovaiheen päättyessä. Veden kiertokulkua tutkiva satelliitti on kiinnostava myös teknisesti: siinä käytetään ensimmäisenä kuituoptiikkaa toiminnan kannalta kriittisissä kohteissa.
SMOS laukaistiin laukaistiin yhdessä Proba-2 -sateellitin kanssa kiertoradalle Rockot-kantoraketilla 2. marraskuuta 2009. Yhdessä Proba-2:n, ESAn uusimman teknologiademonstraatioksi rakennetun mikrosatelliitin kanssa ne edustavat historiallista askelta eteenpäin fotoniikan avaruussovelluksille.
Siinä missä Proba-2 on pienehkö koesatelliitti, on SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) täysikokoinen ja täysiverinen tutkimussatelliitti, joka tutkailee kotiplaneettaansa heikkoja, luonnollista alkuperää olevia radiosignaaleja valtamerten suolapitoisuuden sekä maaperän kosteutta sään ja ilmaston tutkimusta varten. Pienempi Proba-2, kooltaan alle kuutiometrin, keskittyy vastakkaiseen suuntaan. Sen laitteet tutkivat Aurinkoa ja avaruussäätä.
Jaetun kantorakettikyydin lisäksi kahdella satelliitilla on myös muutakin yhteistä: niiden avaruussovelluksissa uudenlainen valokuidun käyttö. Proba-2:n kokeellinen hyötykuorma sisältää optisen kuidun anturijärjestelmän, joka valvoo sen moottorijärjestelmää. SMOSin kolmihaarainen MIRAS-laite (Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis) on riippuvainen valokuitujen tietoliikenteestä.
Historiallinen käännekohta
"SMOS on maailmanlaajuisesti ensimmäinen satelliitti, jonka hyötykuorma riippuu kriittisesti valokuitulinkkien toiminnasta", kertoo tohtori Nikos Karafolas, optoelektroniikan insinööri ESAn tekniikan ja laadunvalvonnan osastolta.
"Tämä on osoitus historiallisesta käännekohdasta valoaaltoteknologioiden käytöstä avaruudessa - MIRAS-instrumentti sisältää yli 500 metriä valokuitua."
"Siihen verrattuna Proba-2 sisältää ainoastaan kuusi metriä valokuitua, mutta sitä käytetään täysin toisella tavalla: lämpötilan ja paineen mittauksissa sen polttoainetankin, polttoaineputkiston sekä moottorin suuttimen ulkopinnalla."
Maanpäällisissä sovelluksissa valokuidut muodostavat maailmanlaajuisen tietoliikenneinfrastruktuurin perustan. Kaapeleiksi niputettuina hiuksenohuet lasisiimat käyttävät kokonaisheijastusta pulssitettujen valosignaalien välittämiseksi valtavien etäisyyksien päähän. Optisilla kuiduilla on käytännössä sähköisiin johtimiin verrattuna huima tiedonsiirtokapasiteetti (mikä tekee niistä käytännöllisiä tietoliikennehyötykuormissa) ja sen lisäksi ne ovat kevyitä ja mekaanisesti joustavia.
Kaikki nämä ominaisuudet ovat houkuttelevia avaruussovelluksiin, mutta SMOS tarvitsi valokuidun muita ominaisuuksia toimiakseen.
MIRAS-instrumentille välttämättömiä
MIRAS-laite on käytännössä vastaanotin, joka havaitsee maanpinnan hyvin heikkoa lämpökohinaa, joka täytyy vahvistaa kymmenen miljardia kertaa voimakkaammaksi ennen sen käyttöä", selittää ESAn SMOS-hyötykuormainsinööri Manuel Martin-Neira.
"Mikä tahansa sähköinen kohina, joka on peräisin antennien sähkölaitteista voi vaikuttaa mitattuun korrelaatioon ja sumentaa niiden tuloksena saatavia kuvia. Valokuidut kuitenkin välittävät informaatiota valopulssien avulla sähköisten signaalien sijaan eivätkä ne luo ollenkaan sähkömagneettisia häiriöitä."
MIRAS luo kaksiulotteisen kuvan yhdistämällä 69 erillisestä antennivastaanottimesta saadut signaalit. Kaikkien niiden täytyy olla linkitettyinä yhteen ja yhdistettyinä keskusyksikköön.
"Suurin haaste työssämme oli hurjan korkeiden laatustandardien saavuttaminen ja ylläpitäminen", arvioi DA-Designin Nicholas Hughes. Suomalaisyritys valmisti MIRASin kohinainjektiometrit sekä kalibrointijärjestelmän "Kalibrointijärjestelmän radiometrien valmistaminen ja testaaminen oli merkittävä tehtävä, sillä yksiköiden täytyi olla todennetusti lähes identtisiä toiminnaltaan."
"Voitte kuvitella valtavat ongelmat mikäli olisimme toteuttaneet tiedonsiirron sähköisesti ja sitten huomanneet instrumentin ollessa valmis, että jossain sen sisällä olisi häiriölähde", lisää Martin-Neira. "Siinä vaiheessa se olisi ylitsepääsemätön ongelma."
Häiriöongelmien välttämiseksi MIRASissa päädyttiin valokuitujen käyttöön. Se oli rohkea ratkaisu, koska mitään vastaavaa ei koskaan aiemmin oltu lähetetty avaruuteen ja siihen omistetut optoelektroniset lähettimet ja vastaanottimet sekä passiiviset valokuidun jakajat täytyi kehittää sovelluskohdetta varten.
MIRASin valokuitujen käyttö toi mukanaan myös muita etuja. Perinteistä järjestelmää keveämpi massa mahdollisti sen, että laitteen pitkät antennien peittämät haarat voitiin levittää auki avaruudessa käyttämällä kevyitä jousimoottoreita ja kuitujen joustavuus takasi sen, ettei niiden suorituskyky kärsinyt liikkeestä.
DA-Designin lisäksi Suomi oli tärkeässä asemassa SMOSin rakentamisessa muutenkin, sillä optisen tiedonsiirtojärjestelmän laserit ovat tamperelaisen Modulight-yrityksen toimittamat. Lisäksi Aalto-yliopisto osallistui referenssiradiometrien rakentamiseen sekä testaukseen ja osallistuu toiminta-aikana mittausten verifiointiin.
Satelliitin hermojärjestelmän alku
Proba-2:n kuituanturin demonstraattori (FSD) ei ollut kriittinen satelliitin tehtävän kannalta, mutta siitä voi tulla tulevaisuuden avaruuslentojen käyttämä laite. Sen suunnitteli kanadalainen MPBC-yhtiö tukenaan ESAn GSTP-ohjelma (General Support Technology Programme), joka on omistettu lupaavien avaruuskelpoisten laitteiden prototyyppien kehitykselle.
Ensimmäinen satelliitin mukana lentävä kuituoptinen anturijärjestelmä toimii yksinkertaisen hermojärjestelmän tapaan. Se liittää toisiinsa useita antureita, jotka ovat itsessään kuitupohjaisia ja hyödyntävät Braggin hilaa. Niitä käytetään laajasti maanpäällisissä sovelluksissa, usein kriittisiin infrastruktuurin kohteissa, kuten putkistoissa ja padoissa. Paikallisen lämpötilan tai paineen muutos aiheuttaa pieniä muutoksia niiden läpi kulkevan valon aallonpituuteen ja nämä muutokset voidaan havaita ja mitata.
Telemetrian mukaan Proba-2:n FSD toimii hyvin ja palauttaa käyttökelpoista tietoa moottorijärjestelmän toiminnasta. Se mittaa ainoastaan painetta ja lämpötilaa, mutta tulevaisuuden järjestelmät voivat kerätä niiden lisäksi myös venymä- ja kiihtyvyysdataa.
Uusia teknologioita tarvitaan
Avaruusjärjestöjen tärkeänä tehtävänä on uudenlaisten teknologioiden toimivuuden testaaminen ja varmistaminen avaruusolosuhteissa. Avaruustoiminnan yksityissektorilla ei tähän yleensä ole mahdollisuuksia eikä riskejä haluta ottaa taloudellisten epäonnistumisten pelossa. Tästä näkökulmasta SMOS ja Proba-2 ovat huikeita harppauksia eteenpäin niiden tuodessa uuden sovellustyypin avaruuskäyttöön.
"Yksilöllisten hyötyjensä vuoksi odotan monien tulevaisuuden missioiden hyödyntävän fotoniikkaan perustuvia teknologioita", sanoo TECin optoelektroniikkainsinööri Iain McKenzie. "Ne sisältävät optista analogista ja digitaalista tiedonsiirtoa, optisia kytkimiä, kuituoptisia antureita ja optopyrotekniikkaa."
"Luotamme tähän ESAn sekä sen teollisten ja akateemisten yhteistyökumppaneiden laajan työpanoksen ansiosta fotoniikan teknologioiden rakennusosasten kehityksessä sekä uraauurtavien missioiden onnistumisissa."
