Avaruusfysiikka|Minilaitetta voisi käyttää tiedonsiirtoon. Viive olisi satelliittia pienempi, koska laite leijuu ignorosfäärissä lähempänä maanpintaa.
Lue tiivistelmä
Tiivistelmä on tekoälyn tekemä ja ihmisen tarkistama.
Tutkijat ovat kehittäneet pienen laitteen tutkimaan Maan ilmakehän vähän tunnettua ignorosfääriä.
Harvardin yliopiston Ben Schaferin johtama ryhmä esitteli Nature-lehdessä laitteen, joka leijuu auringonvalon voimalla.
Laite voisi kuljettaa mittausvälineitä tai sitä voitaisiin käyttää viestintään.
Helsingin yliopiston professori Minna Palmroth korostaa, että tutkittavaa olisi etenkin ignorosfäärin yläosassa.
Maapallon ilmakehästä löytyy alue, joka on ihmiselle miltei tuntematon. Nyt tutkijat ovat kehittäneet mittalaitteiston, jolla tätä ignorosfääriksi nimettyä paikkaa voisia tutkia.
Viralliselta nimeltään alue on ionosfääri–termosfääri, ja se ulottuu 80 kilometristä noin 600 kilometrin korkeuteen, siis ilmakehän ja ulkoavaruuden rajalle.
Se on liian korkealla tutkille ja säähavaintopalloille sekä toisaalta liian matalalla satelliiteille. Happea on niin paljon, että satelliitit syttyvät siellä palamaan.
Harvardin yliopiston Ben Schafer kollegoineen esitteli hiljattain Nature-lehdessä höyhenenkevyen laitteen, joka voisi kuljettaa mittausvälineitä tälle vähän tutkitulle ilmakehän alueelle.
Laite hyödyntää fotoforeesiksi kutsuttua ilmiötä. Kun kaasuhiukkasia lämmitetään valolla, ne alkavat liikkua. Hiukkaset kimpoavat voimakkaammin esineen kuumalta puolelta, mikä luo jatkuvan liikemäärän ja nostovoiman.
Laite siis leijuisi ilmassa pelkän auringonvalon voimalla. Ilmiö toimii vain voimakkaassa matalapaineessa, mutta juuri sellainen löytyy yläilmakehästä.
Ensimmäistä kertaa ilmiö havaittiin jo 150 vuotta sitten, mutta sille ei ole juuri löytynyt sovelluksia.
Nyt Schafer ryhmineen rakensi senttimetrin levyisen laitteen, joka koostuu kahdesta rei’itetystä alumiinioksidilevystä. Laitteen alapintaan lisättiin kerros kromia, jotta se imisi enemmän auringonvaloa. Kun laitteeseen osuu auringonvaloa, lämpötilaero ylä- ja alapinnan välillä aiheuttaa nostovoiman, joka ylittää laitteen painon.
Tutkijat testasivat laitettaan laboratoriossa matalapainekammiossa, johon he loivat yläilmakehää vastaavat olosuhteet. Laitetta valaistiin valomäärällä, joka vastaa auringonvaloa 60 kilometrin korkeudessa. Valo sai laitteen hetkellisesti leijumaan.
Ongelmana on, että laitteen täytyy olla leijuakseen hyvin kevyt. Tutkijat laskivat, että yläilmakehässä se jaksaisi nostaa korkeintaan kymmenen milligramman kuorman – siis parin hiekanjyvän painon. Se olisi kuitenkin riittävästi pikkuruiselle aurinkokennolle ja antureille, jotka mittaavat tuulennopeutta, ilmanpainetta ja lämpötilaa.
Auringon laskettua laite voisi pysyä ilmassa hyödyntämällä maanpinnasta säteilevää lämpöä.
Vaihtoehtoisesti laitetta voisi käyttää viestintään. Radioantenneilla varustetut laitteet muodostaisivat kelluvan verkoston, jonka tiedonsiirtokapasiteetti vetää vertoja pienelle satelliitille. Viive olisi pienempi, koska laitteet leijuvat lähempänä maanpintaa.
Myöhemmin laitteita voisi lähettää jopa Marsiin asti. Maan yläilmakehä muistuttaa monin tavoin Marsin kaasukehää, ja pienten laitteiden lähettäminen avaruuteen on huomattavasti perinteisiä luotaimia halvempaa.
Leijuvat laitteet ovat tekniikaltaan kiinnostavia, mutta ne eivät yksin poista ignorosfäärin tutkimukseen liittyviä ongelmia, sanoo Helsingin yliopiston avaruusfysiikan professori Minna Palmroth.
Laitteet on suunniteltu noin 80 kilometrin korkeuteen, mutta tutkittavaa olisi etenkin ignorosfäärin yläosassa, jossa ilmakehä ja avaruus vaikuttavat toisiinsa voimakkaimmin.
Lämpötila, paine ja hiukkasten tiheys muuttuvat äkisti, kun siirrytään ilmakehästä avaruuden tyhjiöön. Tässä rajamaastossa kulkee myös suuria sähkövirtoja, jotka kuumentavat ilmakehää ja nostavat sitä ylöspäin kiertoradalle. Ilmiötä kutsutaan Joulen lämmitykseksi.
”Kuumeneminen vaikuttaa matalan kiertoradan satelliitteihin, jotka voivat lisääntyneen kitkan vuoksi menettää korkeuttaan. Koska Joulen lämmitystä ei tunneta, tilanteet tapahtuvat täysin odottamatta. Viimeksi näin kävi vuonna 2022, kun 38 satelliittia putosi yhtäkkiä ilmakehään”, Palmroth kertoo.
Lähivuosina ignorosfäärin merkitys kasvaa entisestään. Satelliitit pitäisi saada tehokkaammin alas radoiltaan, jotta ne eivät jäisi sinne kerryttämään avaruusromua. Ignorosfäärissä kitka siivoaa satelliitteja itsestään, mutta toisaalta niiden elinikä voi jäädä arvaamattomalla alueella liiankin lyhyeksi.
”Jos maapallolla on jokin alue, jota emme vielä tunne, sitä pitäisi mielestäni tutkia. Emme voi jättää planeetallemme kartoittamattomia alueita, etenkään jos haluamme tulevaisuudessa hyödyntää niitä.”
Julkaistu Tiede-lehdessä 11/2025.