Onnea Mathias Fontell, vuoden nuori fyysikko

Suomen Fyysikkoseura on myöntänyt Vuoden 2019 Nuori Fyysikko -palkinnon Suomi 100 -satelliittiprojektissa mukana olleelle Mathias Fontellille. Hän valmistui diplomi-insinööriksi Aalto-yliopistosta vuonna 2019.

Palkittu avaruustekniikan diplomityö ratkoo radioaaltojen etenemisen ongelmaa ilmakehän ylemmissä kerroksissa. Se on opas, joka auttaa ratkaisemaan pitkän kantaman radioaaltojen etenemisongelmia ilmakehän ylemmissä kerroksissa eli ionosfäärissä. Opasta voivat hyödyntää henkilöt, jotka tekevät käytännön työtä pitkän kantaman radioiden kanssa. Ionosfäärin rakenne vaihtelee paljon ajan mukaan ja sen ominaisuudet aiheuttavat radioaaltojen taittumista, mikä tekee ongelmasta hankalan.

Fontellin mielenkiinto ionosfäärisen radion etenemiseen alkoi jo armeijassa, jossa hän työskenteli radiotekniikan parissa. Armeijassa hyödynnetään ionosfääriä tietoturvalliseen viestintään. Radioaaltojen eteneminen ilmakehän ylemmissä kerroksissa perustuu niin kutsuttuihin avaruusaaltoihin, ja onnistunut radioliikenne vaatii avaruusaaltojen taajuuksien ennustamista. Fontell huomasi, että onnistuminen riippuu paljon operaattorin teknisestä pätevyydestä - häntä kiehtoi, miksi radioaallot välillä onnistuivat kulkemaan ionosfäärissä ja välillä eivät.

”Silloin koin omakohtaisesti, kuinka valikoiva ionosfääri on sen läpi kulkeville taajuuksille: joinakin päivinä linkkien luominen oli helppoa ja toisina päivinä se pysyi täysin hiljaisena ja reagoimattomana”, Fontell kertoo.

Käytännön oppia Suomi 100 -satelliittiprojektissa

Opiskeluaikanaan Aalto-yliopistossa Fontellille tarjottiin mahdollisuutta työskennellä osana Suomi 100 -satelliitin projektiryhmää. Suomi 100 on nanosatelliitti, joka rakennettiin Aalto-yliopistossa ja laukaistiin avaruuteen joulukuussa 2018. Satelliitti varustettiin radiomittalaitteella ionosfääristä tutkimusta varten.

Armeijassa heränneen mielenkiintonsa vuoksi Fontell halusi tutkia ja mallintaa satelliitin lähettämiä tietoja avaruusaalloista. Mittaustietojen analysointia varten tarvittiin ymmärrystä useista fysiikan ja sähkötekniikan aloista, joten Fontell alkoi tutustua ionosfäärisen radion etenemiseen liittyvään kirjallisuuteen. Apunaan hänellä oli Aallon avaruusfysiikan professori Esa Kallio. Aiheeseen perehtyessään he kokivat, että aiheen teoria oli monimutkainen ja vaikeasti sovellettavissa sellaisten ihmisten käsissä, joilla ei ollut alaan liittyvää erityisasiantuntemusta.

Fontell hyödynsi työssään brittiläisen radiofyysikko Jenifer Haselgroven julkaisemaa metodia (1954), jonka mukaan avaruusaaltojen mallintaminen onnistuu hiukkasina eikä aaltoina niiden korkeiden taajuuksien vuoksi. Aihe oli monimutkainen ja Fontell koki, että myöhemmissä aihetta käsittelevissä teoksissa metodin toimivuutta selitetty lukijalle tarpeeksi selkeästi.

Lisäksi radioaaltojen etenemisongelmien ratkaisemiseksi tuli ymmärtää laajasti erityistä osaamista vaativia aloja, kuten antennien säteilykuvioita, ionosfäärin rakennetta, moderneja numeerisia algoritmeja ja matalan asteen ohjelmistosuunnittelua.

Tämä vaivasi nuorta tutkijaa ja hän koki, että nykyaikaisten tekniikoiden avulla hänen olisi mahdollista kirjoittaa ohje, jolla voisi antaa aiheesta hyvän kokonaiskuvan myös sellaiselle tutkijalle, jolla ei ole aiheeseen liittyvää erityisosaamista. Tarkoituksena oli selventää lukijalle ongelmanratkaisun keskeisimmät käsitteet ja siihen soveltuvat menetelmät.

”Halusin luoda käytännöllisen ja kattavan oppaan, jota tekniikan koulutuksen saanut ihminen voisi hyödyntää kohdatessaan ongelman ilman, että hänen täytyy kahlata läpi valtavasti tieteellistä kirjallisuutta”, Fontell sanoo.

Intohimona avaruus

Fontell teki opinnäytetyötään noin puoli vuotta. Aiheen parissa työskentelyn hän koki opettavaiseksi ja hauskaksi, sillä työ oli sekoitus teoriaa ja luovaa ohjelmointia, jota hän oli päässyt harjoittelemaan opintojensa parissa Aalto-yliopistossa. Hän sai suunnitella tieteellisen laskentaohjelman tyhjästä arkkitehtuurista, riippuvuuksista, tietorakenteista ja algoritmeista lähtien.

Valmistuttuaan diplomi-insinööriksi Fontell aloitti työskentelyn ohjelmistoinsinöörinä Space Systems Finland -yrityksessä, joka tunnetaan nykyään Huldina. Nykyisessä tehtävässään hän on tehnyt suorituskriittisiä tietojenkäsittelyohjelmia ilmakehän seurantasatelliittiin, jota ylläpitää Euroopan avaruusjärjestö. Taivas kiehtoo Fontellia myös vapaa-ajalla, sillä hän on vastikään aloittanut kouluttautumaan harrastajalentäjäksi.

”Työskentely avaruustekniikan parissa on toteen käynyt unelma, jonka toteutumisessa auttoi Aalto-yliopiston erinomainen avaruustekniikan koulutus. Tulevaisuudessa toivon voivani palata yliopistoon suorittamaan tohtoritutkinnon”, hän kertoo.

Suomen Fyysikkoseura myöntää Vuoden nuori fyysikko -palkinnon erinomaisesta fysikaalisten tieteiden aloihin kuuluvasta pro gradu- tai diplomityöstä. Tarkoituksena on tukea nuoria fyysikoita ja palkita heitä poikkeuksellisen ansiokkaista suorituksista. Palkinto koostuu 1000 euron palkintosummasta sekä Fyysikkoseuran ilmaisesta jäsenyydestä kuluvaksi vuodeksi. Fontell jakoi vuoden 2019 palkinnon Tampereen yliopistosta valmistuneen diplomi-insinöörin, Markus Hiekkamäen, kanssa.

Alta löytyvän videon avulla voit tutustua tutkimukseen paremmin. Fontell on tehnyt videon Suomen Fyysikkoseuralle Nuoren fyysikon kilpailua varten.

Teksti on julkaistu alun perin Aalto-yliopiston Sähkötekniikan korkeakoulun sivuilla.

Otsikkokuva: Laura Hujanen