Yhdysvaltain avaruushallinnon NASAn uusimman Mars-luotaimen suunnittelun tärkein lähtökohta on ollut äärimmilleen viety luotettavuus. Luotaimeen on valittu liitinvalmistaja C&K:n Micro-D-liittimet, jotka täyttävät NASAn luotettavuuskriteerit.

Mars on pitkään kiehtonut Maan asukkaiden mielikuvitusta. Se on ollut avaruuteen liittyvien mielikuvien kohteena jo ainakin vuodesta 1893 lähtien, jolloin italialainen astronomi Giovanni Schiaparelli katseli planeettaa kaukoputkellaan ja vakuuttui nähneensä rakennettuja kastelukanavia Marsin pinnalla.

Viime vuosina planeettaa on alettu tutkia tosissaan. Sitä ei ole ainakaan hillinnyt ihmiskunnan uteliaisuus tietää, onko Marsissa elämää vai ei. Ja pidemmällä tähtäimellä NASA on asettanut tavoitteekseen lähettää miehitetty avaruuslento sinne – joskin siihen mennee vielä jokunen tovi.

Ensimmäisen yrityksen päästä Marsiin teki neuvostoliittolainen luotain jo vuonna 1960 mutta yritys epäonnistui. NASAn Mariner 4 ohitti ensimmäisenä punaisen planeetan vuonna 1965. Vuonna 1971 neuvostoliittolainen avaruuslento laskeutui ensimmäisenä Marsin pinnalle ja sen jälkeen sinne on tehty useita onnistuneita laskeutumisia.

Näihin päiviin asti kaikki Marsiin suuntautuneet avaruuslennot ovat keskittyneet planeetan pinnan tutkimiseen. NASAn uusin avaruusprojekti InSight aikoo sen sijaan tutkia tarkemmin, mitä Marsin kuoren alta löytyy.

Matkattuaan 548 miljoonaa kilometriä InSight-luotain laskeutui turvallisesti lähelle Marsin päiväntasaajaa 26 marraskuun viime vuonna. Seuraavien parin vuoden aikana InSight pyrkii vastaamaan perustavanlaatuisiin kysymyksiin siitä, miten punainen planeetta on muodostunut 4,5 miljardia vuotta sitten ja yleisemmällä tasolla miten kivikkoiset planeetat ovat ylipäänsä muodostuneet.

Seismometri levittäytyy planeetan pinnalle

Seismistä aktiivisuutta mittaamalla InSight pyrkii kartoittamaan planeetan sisällä olevia salaisuuksia: miten se on alunperin muodostunut, mitä planeetan sisällä on ja onko kuoren alla vettä. Keräämällä näitä tietoja Marsin geologiasta saamme syvällisemmän käsityksen myös siitä, miten Maa on muodostunut yli neljä miljardia vuotta sitten, sillä Mars on tarpeeksi pieni säilyttääkseen enemmän todisteita näistä prosesseista.

Yksi InSightin kolmesta pääinstrumentista on seismometri, jolla mitataan pieniä värähtelyjä, joiden avulla saadaan uutta tietoa planeetan rakenteesta (kuoresta, vaipasta ja sisuksesta) ja sen sisuksen aktiivisuudesta.

Seismometri asetettiin InSightin 1,8 metrisellä robottikädellä Marsin pinnalle 19. joulukuuta 2018, mikä on myös päivämäärä, jolloin ensimmäistä kertaa avaruusalukselta käsin on robotin avulla sijoitettu seismometri toisen planeetan pinnalle.

Kuva 1: Robotti asettelee seismometriä Marsin pinnalle (Lähde: NASA/JPL-Caltech).

Seismometri perustuu kolmeen titaaniheiluriin, yhteen kutakin akselia kohti. Ne voivat liikkua vapaasti suojaavassa pallomaisessa tyhjiökammiossa, jonka tilavuus on kolme litraa. Näin ollen mikä tahansa värähtely saa heilurit liikkumaan muuhun seismometriin nähden, jolloin liikepoikkeama voidaan mitata.

Seismometri mittaa nämä ”marsinjäristysten” aiheuttamat värähdykset eli seismiset aallot, kuten myös tomumyrskyjen ja ilmakehän pyörteiden aiheuttamat värähtelyt Marsin pinnalla. On myös arvioitu, että seismometri tulee havaitsemaan viidestä kymmeneen meteori-iskua kaksi vuotta kestävän  avaruusmatkan aikana. Seismometri on äärimmäisen herkkä ja se pystyy ilmaisemaan liikkeitä, jotka ovat pienempiä kuin vetyatomin halkaisija.

Luotettavat liittimet

Missä tahansa avaruussovelluksissa ykköskriteerinä komponenttien valinnassa on luotettavuus. Toimittaessa Maan kiertoradalla on jossain määrin mahdollista korjata syntyneitä ongelmia, kuten esimerkiksi Hubblen teleskoopin tapauksessa tehtiin. Mutta InSightin tapauksessa etäisyydet maa-asemalta ovat niin pitkiä, että kaiken pitää olla alun alkaen kunnossa. Näin ollen myös pienten mutta elintärkeiden komponenttien, kuten liittimien, pitää olla huolellisesti spesifioituja ja suunniteltuja.

InSightin seismometrin luotettavuutta on osaltaan takaamassa C&K:n MDMA-sarjan Micro-D-liittimet. Kuvassa 2 on nähtävissä C&K:n liittimet seismometrin etupuolella. Nämä liittimet ovat tärkeä osa järjestelmää, joka lähettää 38 megabittiä dataa maa-asemalle joka päivä. Liittimet ovat kompakteja ja kevyitä ja niiden paino vaihtelee 9-napaisen liittimen 2,3 grammasta 51-napaisen liittimen 7,3 grammaan.

Kuva 2: InSight-luotaimen seismometri (Lähde: CNES / Martin Emmaunelle).

Liittimien kanssa voidaan käyttää AWG24-, AWG26- ja AWG28-kokoisia eristettyjä johtimia sekä eristämättömiä AWG25-lankajohtimia. Liittimet on mitoitettu 3,5 ampeeriin saakka (AWG24-johdin) toimintajännitteen ollessa 150 volttia tehollisarvoltaan. Ne ovat täysin yhteensopivia muiden valmistajien Micro-D-liittimien kanssa.

Liittimet ovat vakiokomponentteja eivätkä ne tarvitse mitään valmisteluja Mars-luotainta varten. Koska C&K:n liittimet on pääasiassa tarkoitettu avaruussovelluksiin, kaikki sen liittimet on suunniteltu kestämään äärimmäisissä oloissa ja ne on testattu ja sertifioitu asianmukaisesti. Joissakin tapauksissa asiakkaat saattavat tehdä lisätestejä esimerkiksi suprajohtavuutta vaativissa oloissa, mutta InSight-luotaimen yhteydessä lisätestejä ei tarvittu.

Eri maissa toimivat avaruusalan toimijat ovat valinneet Micro-D-liittimet vaativiin satelliittien, laukaisualustojen, teleskooppien ja muihin avaruusalusten sovelluksiin. Komponentit ovat seuraavien vaatimusten mukaisia: ESA-ESCC, MIL-M24308 ja GSFC-311P, mukaan lukien ESCC-vaatimukset 3401/077 (liittimet) ja 3401/078 (irrotettavat puristuskoskettimet).

Jotta liitin toimisi avaruusoloissa luotettavasti, on materiaalien valintaan kiinnitettävä erityistä huomiota. Tärkeimmät kriteerit materiaalin valintaa tehdessä ovat, että siitä ei saa vapautua kaasua planeetan ilmakehään, sen resistanssin vaihtelun lämpötilan suhteen tulee olla pieni ja sen tulee olla magneettisuudeltaan vähäinen tai epämagneettinen. MDMA-sarjan liittimet täyttävät kaikki nuo vaatimukset. Kosketinresistanssi on pieni ollen 5 mΩ nimellisvirralla.

Liittimien kuori on alumiiniseosta. Kuoren viimeistelyksi voidaan valita joko 25,4 µm:n kemiallinen nikkelipinnoite kuparipohjalle tai 2,54 µm:n kultaus 25,4 µm:n kemialliselle nikkelipinnoitteelle. InSight-luotaimella valittiin käytettäväksi 25,4 µm:n kemiallinen nikkelipinnoitus kuparille.

Eristeenä on nestekidepolymeeri ja sekä pistokkeiden että pistukoiden koskettimet ovat 1,27 µm:n kullattuja nikkelipintoja. Liittimet voidaan spesifioida kiinnitettäviksi joko kiinteällä pidikkeellä tai liukuasennuksella, jossa käytetään 303-tyypin passivoitua ruostumatonta terästä.

Räätälöitävät johdinsarjat

Luotettavuus ja ESCC-spesifikaatioiden mukaisuus ovat tärkeitä ominaisuuksia liittimiä valittaessa. Näiden lisäksi tärkeä tekijä C&K:n liittimiä valittaessa on ollut asiakkaiden mahdollisuus hankkia heidän tarpeisiinsa räätälöityjä johdinsarjoja. Tätä ei ole tarjonnut kukaan muu liitinvalmistaja tähän mennessä.

C&K on kehittänyt järjestelmän puristusliitettäviä ja irrotettavia asennuspidikkeellä varustettuja koskettimia, jotka korvaavat tavanomaisia juotettavia tai langoitettuja liitososia. Tämä tarjoaa monia etuja:

• Johdinsarjan pituus on vapaasti valittavissa ja voidaan tehdä juuri sovellukseen sopivaksi, jolloin ylimääräinen paino ei kuormita painoherkkää avaruusalusta.
• Kutistusputkea ei tarvita.
• Asiakas saa tarvitsemansa johdinsarjan, jossa on hänen valintansa mukaiset johdintyypit ja -koot kutakin tarvittavaa kosketinta varten.
• Asiakas saa käyttöönsä vain tarvitsemansa johtimet, jolloin turhista johtimista ei tarvitse maksaa johdinsarjan valmistajalle.

Johtopäätelmiä

InSight-luotaimen kaltaisiin korkean tason avaruusaluksiin kelpuutetaan vain täydelliset ratkaisut. Mitkään ongelmat eivät saa aiheuttaa sitä, että tutkijat menettäisivät dataa, jota luotain on käynyt keräämässä pitkän matkan takaa.

Avaruusalus on jo lähettänyt Maahan kuvia, ääniviestejä ja videoita, ja seismometri on tallentanut Marsin tuulten aiheuttamia värähtelyjä InSightin aurinkopaneeleissa. Vaikka tutkimukset ovat vielä alkuvaiheessaan, ne vaikuttavat lupaavilta. C&K:n luotettavat liittimet auttavat osaltaan tässä työssä.

Lisätietoa: https://www.seis-insight.eu/fr/public/l-instrument-seis/accueil-instrument-seis