Onko kansainvälinen avaruusasema turha? Onko järkeä matkustaa Marsiin? Avaruustutkimuksen tarpeellisuudesta väitellään yhä, viisikymmentä vuotta Sputnikin jälkeen.
Tee pieni ajatuskoe: mitä tapahtuisi - esimerkiksi viestinnälle - jos satelliitit äkkiä pimenisivät. Avaruustekniikka kuuluu niin tiukasti elämäämme, ettemme edes huomaa sitä.


Avaruustutkimuksen tarpeellisuudesta väitellään yhä, viisikymmentä vuotta Sputnikin jälkeen.
Tee pieni ajatuskoe: mitä tapahtuisi - esimerkiksi viestinnälle - jos satelliitit äkkiä pimenisivät. Avaruustekniikka kuuluu niin tiukasti elämäämme, ettemme edes huomaa sitä.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä 7/2007

Sisältö jatkuu mainoksen alla


Jokainen avaruustutkimukseen kulutettu dollari tuo takaisin seitsemän dollaria, ovat avaruusintoilijat toistaneet yli kolmekymmentä vuotta.

Kriitikkojen mielestä numerot ovat suunnilleen samat mutta järjestys on toinen: kymmendollarinen, joka kulutetaan avaruustutkimukseen, tuo hyötyjä vain yhden dollarin verran.

Arvio seitsenkertaisesta voitosta on peräisin yhdysvaltalaisen Midwest Research Instituten jo 1971 tekemästä laskelmasta. Arvion kymmenkertaisesta tappiosta taas esitti 1995 avaruusanalyytikko, konsultti, publisisti ja tutkijajärjestö FAS:n (Federation of American Scientists) pitkäaikainen puheenjohtaja John E. Bike.

Avaruustutkimuksen kannattajat kertovat "avaruudesta maahan" -ilmiöstä. He väittävät, että tuhansia innovaatioita on syntynyt avaruustutkimuksen spinoffeina eli sivutuloksina (ks. esimerkiksi Nasan spinsivu: www.sti.nasa.gov/tto/ ). Kriitikot vetoavat yksityiskohtaisiin laskelmiin, joiden mukaan vain pieni osa sivutuloksista on avaruustutkimuksen ansiota.

Fantastisia sivutuloksia on syntynyt etenkin lääketieteessä, kannattajat sanovat. Vastapuoli kiistää. - Avaruusohjelma tuottaa uutta lääketiedettä yhtä vähän kuin lääketieteellinen yhteisö tuottaa avaruustekniikkaa, Bike sanoi National Defense Magazinen haastattelussa vuonna 2001.





Avaruus tekee superkokkeja


Tutkimusmatkoilla kokki on yhtä tärkeä kuin insinööri tai lääkäri. Äärioloissa ihmisten päreet palavat, jos ruoka on kehnoa.

Avaruusalukseen on mahdotonta lastata suurta ruoka-ainevalikoimaa, eikä mukana aina ole huippukokkiakaan. Star Trek -elokuvissa ongelma ratkaistiin ruokareplikaattorilla, joka kokosi molekyyleistä minkä tahansa herkun. Laite on vielä nykytekniikan ulottumattomissa, mutta vähän yksinkertaisempaa ruokatulostinta kehitetään jo tosissaan.

Nasalla on erityinen tutkimusyksikkö (Nasa Institute for Advanced Concepts, NIAC), joka keskittyy kaukaisiin, aikaisintaan kymmenen vuoden päästä toteutettaviin ideoihin. Antimaterian keräinten ja positronimoottorien ohella yksikössä on tutkittu "räätälöitävää ja ohjelmoitavaa järjestelmää ruoanvalmistusta ja ruokalajien keksimistä varten".

Avaruusajan keittotaitoa pohti joukko astronautteja, kemistejä, ruokateknologeja ja kokkeja. Mukana oli chicagolaiskokki Homaro Cantu, joka on valmistanut ruokia mustesuihkutulostuksen tekniikalla.

Tutkimuksessa ideoitiin ohjelmia ja laitteita, joilla pystytään sekä jäljittelemään nykyisiä ruokia että luomaan kokonaan uusia yhdistelmiä rajallisesta määrästä aineksia.

Tulevat padat ja pannut muistuttanevat teollisuuden pikamallinnuskoneita, joilla rakennetaan muovista tai jauheesta kerroksittain kolmiulotteisia kappaleita. Toistaiseksi on mallinnettu tavanomaisia ruokia, kuten broilereita ja paisteja, mutta standardoiduista aineksista syntynee myös aidon näköinen ja makuinen tryffelireplika.

Cantu tekee ravintolassaan jo "kaksiulotteisia" ruokia kodin valokuvatulostinta muistuttavalla laitteella. Paperin tilalla on soija- tai perunatärkkelyslevyjä, musteena mehu- ja vihannessekoituksia. Koneesta rullautuvan levyn Cantu dippaa, friteeraa tai paistaa. Sushit hän tulostaa merileväpaperille.

Niin sanottu molekyyligastronomia on juuri nyt ruokamaailmassa kova sana, mutta muutaman vuosikymmenen päästä avaruudesta voi tulla ruokakoneita, jotka saavat trendibocuset haukkomaan henkeään. Ne tekevät kotikokeistakin huipputaitureita.


Mitä - ettei olisi satelliitteja!

Avaruustutkimuksen vaikutuksia näyttää olevan toivottoman vaikea määritellä. Lähestytään siksi ongelmaa toisesta kulmasta: ei kysytä, mitä seurauksia avaruustutkimuksesta on, vaan mietitään, mitä tapahtuisi, jos avaruustekniikka yhtäkkiä katoaisi.

Nykyaikainen avaruustekniikka alkoi Sputnikista. Nytkin tutkijat mainitsevat satelliitit ensimmäisenä, kun puhutaan avaruustutkimuksen vaikutuksesta ihmiskunnan elämään.

- Olemme niin riippuvaisia satelliiteista, että jos kaikki satelliitit menisivät tunniksi pois päältä, maailmassa syntyisi totaalinen kaaos. Kestäisi myös pitkään toipua siitä, kuvaa tämänhetkistä tilannetta professori Risto Pellinen, joka toimii avaruustutkimuksen tiedejohtajana Ilmatieteen laitoksessa.

- Ajatellaan vain rahaliikenteen riippuvuutta viestintätekniikasta, joka puolestaan on riippuvainen satelliiteista.
Satelliiteista puhuu myös professori Martti Tiuri. Hänen 1960 hyväksytty väitöskirjansa satelliittien ionijäljistä on ensimmäinen suomalaistutkimus nykyaikaisesta avaruustekniikasta.

- Hyödyistä ensimmäinen on tietoliikenteen, lähinnä televisio- ja kaapelikanavien kehitys. Toinen on sääennusteiden paraneminen. Kolmas on paikannusjärjestelmät, GPS. Neljäs on kaukokartoitusjärjestelmien kehitys.

Todella, ajatellaanpa televisiota. Rahaliikenteen takeltelu ehkä vielä siedettäisiin, mutta mitä tapahtuisi, jos miljoonat ihmiset jäisivät vaille jokapäiväistä televisiosarjaansa?

On totta, että kuvaa, ääntä ja muuta dataa kyetään varsin pitkälle siirtämään myös maanpäällisten tukiasemien ja kaapelien avulla. Mutta yhtä totta on, että nykytasoisen tietoverkon rakentaminen menemättä avaruuteen olisi joko mahdotonta tai mielettömän kallista.

Ja riippuvuutemme satelliiteista vain lisääntyy. GPS muuttuu vauhdilla kuluttajatekniikaksi. Pian jokaiseen kännykkään ja autoon kuuluu vakiona paikannustoiminto. Mikä on hyöty euroina, on yhä vaikea sanoa, mutta  ilman paikannussatelliitteja ei tulla toimeen.


Maan ongelmat mitattavissa

Meidän silmissämme taivaskanavat ja navigaattorit todistavat näkyvimmin avaruustutkimuksen vaikutuksesta, mutta tulevaisuuden historioitsijat päätynevät toisenlaiseen tärkeysjärjestykseen. "Merkittävin seuraus vuosina 1957-2007 harjoitetusta avaruustutkimuksesta oli maapallon pelastuminen ekologiselta katastrofilta", saattaa historiankirjassa lukea viidenkymmenen tai sadan vuoden kuluttua.

Esimerkiksi otsonikerroksen oheneminen huomattiin ensin maanpinnalta, mutta vasta satelliiteilla ilmiöstä saatiin tarkkaa määrällistä tietoa. Hyvä esimerkki tarkkailutekniikasta on suomalaisten ja ranskalaisten yhdessä kehittämä Gomos-mittalaite, jolla seurataan otsonikerrosta.

Suomalainen avaruustekniikka onkin niittänyt mainetta juuri tutkimus- ja mittauslaitteista, jotka lentävät satelliittien ja luotaimien mukana (ks. Kuuhun, Marsiin, Saturnukseen, Tiede 7/2003, s. 40-44).

- Maassa muihin tarkoituksiin kehitetty mikrotekniikka, kuten Vaisalan piiteknologia, menestyy avaruudessa, Risto Pellinen sanoo. - Vaisalan paineanturi painaa yhden gramman, kun kilpaileva laite painoi kaksisataa grammaa. Siksi esimerkiksi Huygens-luotaimessa, joka tutki Saturnuksen kuun Titanin kaasukehää, oli kahdeksan Vaisalan anturia.

Jos siis joku ihmettelee, hyödyttääkö Titanin tutkiminen muita kuin laitevalmistajia ja tutkijoita, yksi vastaus on ympäristö. Planeettojen ja kuiden kaasukehien tutkiminen lisää palasia tietoon, joka auttaa ymmärtämään myös maapallon ilmakehän toimintaa ja ihmisen vaikutusta ilmastoon.





Deittipalvelu tarkentui


Tekoälytutkija, tohtori Michael Georgeff  Stanfordin yliopistosta kehitti avaruussukkulan ja kansainvälisen avaruusaseman yhteispeliä varten niin sanottuja älykkäitä agenttiohjelmia, BDI-agentteja. Lyhenteessä B tarkoittaa uskomuksia (beliefs), D haluja ja tavoitteita (desires) ja I aikomuksia (intentions).

Ohjelma jäljittelee inhimillistä ajattelua. Agentit, jotka mallintavat vaikka sukkulaa ja avaruusasemaa, sovittavat tavoitteitaan yhteen. Sitä varten niiden pitää ymmärtää toistensa uskomuksia, tavoitteita ja aikomuksia.
Avaruudessa "ymmärtäminen" tarkoittaa esimerkiksi ohjausmoottorien käyttöä niin, että sukkula ja avaruusasema pystyvät kohtaamaan.

Jos BDI-agentti epäonnistuu tavoitteen saavuttamisessa, se ei perinnäisten ohjelmien tapaan noudata valmiita laskukaavoja vaan kokeilee uusia  vaihtoehtoja, kuten ihminen. (Koneiden tavoitteellisesta toiminnasta lisää: Tietoinen kone tarvitsee lapsuuden, Tiede 2/2006, s. 16-19.)

Georgeffin mukaan agentti on hyväntahtoinen ja tottelevainen muunnos Avaruusseikkailu 2001:n HAL-tietokoneesta.

Jos koneiden kohtaamista varten voidaan kehittää ohjelma jäljittelemällä ihmistä, niin ehkä voidaan kulkea toiseenkin suuntaan, tekoälyn tutkijat tuumasivat. He lisäsivät ohjelmaan kuvauksia ihmisen kognitiivisista toiminnoista ja tunteista.

Syntyi uusia persoonallisuus- ja yhteensopivuustestejä, jotka deittiyritys Match otti käyttöön vuonna 2003. Testi räätälöi kysymyksiä vastaajan mukaan. Tutkijat uskovat  deittiohjelmien osumatarkkuuden näin parantuneen olennaisesti.


Einstein auttaa traktoristia

Toisinaan perustutkimus, jolla haetaan tietoa tiedon vuoksi, tuottaa sovelluksia yllättävän nopeasti.

Nasa ja Stanfordin yliopisto aloittivat 1980-luvulla ohjelman, jolla testattiin Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa. Tutkijat halusivat mitata, miten painovoima saa aika-avaruuden kaartumaan. Tuskin voi kuvitella aihetta, joka on kauempana arjesta. Mitä meidän elämäämme vaikuttaa tieto maailmankaikkeuden vähäisestä vääntymisestä?

Osoittautui, että ainakin vääntymisen tutkiminen vaikuttaa. Mittauksia tehtiin neljällä gyroskoopilla, jotka kiersivät maapalloa Gravity Probe B -satelliitissa (ks. Tiede 7/2006, s. 26-32). Riittävän mittaustarkkuuden saavuttamiseksi GPS-järjestelmää hiottiin niin, että satelliitin sijainti ja asento taivaalla pystyttiin määrittämään yhden senttimetrin tarkkuudella.

Tutkijat äkkäsivät pian, että samalla tekniikalla voi ohjata tarkasti lentokonetta. Lentokoneesta idea siirrettiin traktoriin. Nykyään käytetään jo ajo-opastimia, jotka automaattisesti ohjaavat traktoria suoraa linjaa pitkin parin sentin tarkkuudella. Kuljettaja voi keskittyä työkoneisiin. Siemenet ja lannoitteet osuvat oikeaan paikkaan, mikään rivi ei jää ajamatta, eikä myöskään tule turhaan ajetuksi kahteen kertaan. Kustannuksia säästyy, ja ympäristön kuormitus vähenee.

Maanviljely on muuttumassa avaruustekniikan haaraksi. Fyysikot pohtivat yhä Gravity Proben mittaustulosten merkitystä, mutta traktorit kulkevat jo suhteellisuusteoreettisella tarkkuudella.


Ilmaviljely lupaa huikeita

Yksi standardiväitteistä avaruustutkimusta vastaan kuuluu: Miksi syytää rahaa taivaalle, kun maapallolla yhä nähdään nälkää? Pitää kysyä toisin päin: onko ruokaa kohta enää mahdollista tuottaa ilman avaruustekniikkaa? 
Hydroponiikasta eli vesiviljelystä olemme kuulleet. Avaruudesta on tullut vielä villimpi tekniikka, aeroponiikka eli ilmaviljely, jota alun perin kokeiltiin Mir-avaruusasemalla.

Aeroponiikassa vesi korvataan vesisumulla, joka sisältää myös lannoitteet. Vettä syötetään täsmälleen niin paljon kuin kasvit kuluttavat.

Veden tarve vähenee 98 prosentilla tavalliseen viljelyyn verrattuna, sanoo tuloksia maanpinnalla soveltava yhtiö Aeroponics International. Lannoitteiden tarve vähenee 95 ja kasvinsuojeluaineiden menekki 99 prosenttia. Samaan aikaan sadot kasvavat 45-75 prosenttia.

Aeroponisesti viljellään jo tomaatteja, kukkia, puiden taimia, parsakaalia, perunoita ja kymmeniä muita kasveja.
Jälkeenpäin voi taas ajatella, että tekniikka olisi voitu kehittää Maassakin. Idea onkin tunnettu kauan, mutta vasta avaruusaseman olot pakottavat puristamaan veden ja lannoitteiden käytön minimiin ja maksimoimaan sekä tehokkuuden että ekologisuuden.





Ylivilkkaille lapsille hoitopeli


Käyttäytymistieteilijä Alan Pope tutki Nasan Langley-tutkimuskeskuksessa Virginiassa simulaattorilla, miten pitää yllä avaruuslentäjien tarkkaavaisuutta. Mittaamalla aivoaaltoja eli aivojen sähkövirtoja elektroenkefalografialla hän järjesti ohjaamoon niin sanotun biopalautteen. Kun aivojen beeta-aalto osoitti tarkkaavaisuuden heikentyneen, automatiikka kytkeytyi pois päältä ja lentäjän oli ryhdyttävä ohjaamaan laitetta käsin.

Astronautit oppivat pian säätelemään aivoaaltojaan niin, että tarkkaavaisuus säilyi.

Pope keksi käyttää samaa tekniikkaa ylivilkkaiden eli ADHD-lasten hoitoon. Hän muunteli tavallisia Sonyn PlayStationin tietokonepelejä siten, että tulos parani aina, kun pelaaja keskittyi hyvin.

Vertailututkimus kahdella 22 hengen lapsiryhmällä osoitti, että aivoaallot paranivat. Vanhemmat kertoivat, että lasten koulunkäynti alkoi sujua paremmin.


Tarvittiin diagnostinen sauva

Kovimmin avaruustutkimuksen arvostelijat ovat moittineet miehitettyjä lentoja. Jos avaruuteen pitää välttämättä jotain lähettää, niin mieluiten robotteja, jotka keräävät tarvittavan tiedon luotettavimmin, he sanovat. Usein keräävätkin - ja tulevat myös toimeen ilman terveydenhuoltoa.

Avaruusmatkat kuitenkin antavat paljon tietoa ihmisen fysiologiasta ja psykologiasta. Ultraäänidiagnostiikka on hyvä esimerkki tekniikasta, jota tuskin olisi kehitetty yhtä nopeasti ilman miehitettyjä lentoja.

Nasan tutkijat pohtivat 1990-luvulla, miten tehostaa vammojen ja sairauksien diagnosointia avaruusasemalla. Tarvittiin laite, jolla pystyttäisiin tutkimaan satoja sairauksia alkaen tavallisista luunmurtumista ja sydänkohtauksista ja päätyen säteilyvammojen ja luukadon kaltaisiin avaruustauteihin.

Laitteen tuli olla pieni, nopea ja helppo käyttää, koska avaruusaluksiin ei mahdu röntgenkoneiden ja kerroskuvauslaitteiden kaltaista raskasta kalustoa eikä pienessä miehistössä ole sijaa erikoislääkäreille. Melkein piti saada aikaan Star Trek -elokuvien diagnostinen sauva, vempain, jota tarvitsee vain pyöräyttää ihmisen edessä, että saadaan täydelliset tiedot hänen terveydentilastaan.

Kirurgi Scott Dulchavskyn tiimi Henry Ford Health Systemsistä selviytyi tieteisfantasiaa hipovasta kehittämistehtävästä. Tutkijat kuvasivat ultraäänellä uusia kohteita, kuten rintakehää, vatsaontelon elimiä, hampaita ja silmiä.  Ultraäänikuvat olivat usein yhtä hyviä kuin röntgenkuvat, joskus parempiakin, kuten kuvat leuasta ja kokoonpainuneesta keuhkosta.


Tekniikka käy kaukaloonkin

Laite oli kuitenkin vasta puoli ratkaisua. Tavallisesti ultraääniteknikot tarvitsevat 200 tunnin koulutuksen ja vielä harjoittelua. Avaruuslentäjien ohjelmaan näin pitkää kurssia on mahdotonta tunkea.

Dulchavskyn tiimi rakensi CD-levylle yhden tunnin multimediakurssin, jonka jälkeen teknikko, avaruuslentäjä tai vaikka urheiluvalmentaja kykenee käyttämään laitetta ja lähettämään kuvan lääkärille tulkittavaksi. Romppu testattiin vuonna 2003 kansainvälisellä avaruusasemalla hyvin tuloksin. Sittemmin sen avulla ultraäänikuvausta ovat opetelleet muun muassa jääkiekkoliiga NHL:n valmentajat.

Ultraäänen ja avaruustekniikan yhteiselämä jatkuu. Viime kesäkuussa Yhdysvaltojen elintarvike- ja lääkevirasto FDA hyväksyi käyttöön tietokoneohjelman kaulavaltimon ultraäänimittausten käsittelyyn. Ohjelma, kauppanimeltään ArterioVision, on syntynyt sivutuloksena Nasan kuvankäsittelylaboratoriossa. Tekniikka, jonka tutkijat kehittivät alun perin avaruuskuvien käsittelyyyn, auttaa nyt havaitsemaan valtimonkovettumataudin entistä aikaisemmin.

Joku voi sanoa, että nämä sovellukset olisi voitu keksiä ilman avaruustutkimustakin. Ultraäänen käyttötapoja on kyllä ideoitu maassakin, mutta vasta avaruuden rajoitukset pakottivat ottamaan tekniikasta kaiken hyödyn irti. Aiemmin ei tullut mieleen kysyä, voidaanko röntgenlaite korvata ultraäänilaitteella. Ei ollut tarvetta, kun röntgenit kuuluivat sairaaloiden vakiovarustukseen ja tilaa oli. Avaruus antaa vastauksia, mutta yhtä tärkeää on, että se antaa uusia tehtäviä ja kysymyksiä.

Kalevi Rantanen on teknistä luovuutta tutkiva diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja.

Sisältö jatkuu mainoksen alla