Измерение солнечного света из космоса на чипе

7 ноября 2022 г.

Дженнифер Лорен Ли, Национальный институт стандартов и технологий

В течение 40 лет люди использовали космические датчики для измерения количества света, исходящего от Солнца, что дает ученым представление об изменении климата на Земле.

Большая часть энергии, питающей климатическую систему Земли, поступает от солнечного света. Итак, если ученые измерят энергию, падающую на Землю от Солнца, а также измерят энергию, покидающую Землю, тогда они смогут определить, сколько энергии остается позади.

Ученые измеряют количество солнечного света, достигающего Земли из космоса. Величина, которую они измеряют, называемая «полным солнечным излучением» (TSI), включает в себя всю энергию всех длин волн света, исходящего от Солнца, от ультрафиолетового до видимого и инфракрасного.

Однако устройства, используемые в настоящее время для мониторинга TSI, сравнительно дороги в изготовлении и запуске. Это ставит под угрозу способность ученых поддерживать непрерывные и непрерывные измерения, которые им необходимы для точной оценки изменений TSI с течением времени.

Теперь новая технология, разработанная Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) в сотрудничестве с Лабораторией физики атмосферы и космоса (LASP), позволила создать и запустить более легкое и дешевое устройство, столь же точное, как аналогичный прибор, используемый в настоящее время для измерений TSI. Прибор, получивший название «Компактный монитор общего облучения» (CTIM), представляет собой тип измерителя радиации, встроенный в чип и запущенный в космос на стандартизированном миниатюрном спутнике под названием CubeSat.

CTIM на базе чипа NIST должен дать исследователям высокую точность (с погрешностью всего 0,015%) и стабильность (с дрейфом — сдвигом измеренных значений с течением времени — менее 0,001% в год).

Это сравнимо с монитором освещенности, который в настоящее время используется для измерения солнечного света. Однако стоимость нового датчика составляет десятую часть стоимости его изготовления, и это не считая экономии от запуска в космос гораздо меньшего детектора.

«Этот спутник был задуман, построен, испытан и запущен в течение нескольких лет, тогда как на предшественника ушло 20 лет», — сказал Джон Леман из NIST. «Мы считаем это большим техническим успехом. Не существует коммерческих детекторов, которые могли бы это сделать».

Прототип детектора был запущен этим летом и будет собирать данные в течение двух лет.

«На данный момент основные детекторы подверглись более 100 часам прямого солнечного воздействия с тех пор, как CTIM CubeSat начал проводить измерения», — говорит Дэйв Харбер, старший научный сотрудник LASP Университета Колорадо в Боулдере и главный исследователь CTIM. «Команда CTIM в настоящее время завершает анализ полученных данных, но первоначальный анализ показывает, что прибор в целом и детекторы, изготовленные NIST, в частности, демонстрируют превосходные характеристики на орбите».

И старые, и новые измерения TSI выполняются с помощью болометров — детекторов, которые измеряют входящее оптическое излучение по выделяемому им теплу. Свет солнца попадает на болометр, который поглощает оптическую энергию различных длин волн. Поглощенная энергия нагревает термометр.

Но это тепло не измеряется напрямую. Вместо этого в этих устройствах обычно используется принцип электрического замещения. Встроенный нагреватель повышает температуру термометра на определенную произвольную величину. Затем открывается ставень, пропуская солнечный свет. Оптическое излучение солнца нагревает термометр, а механизм обратной связи заставляет нагреватель отключаться, чтобы поддерживать температуру постоянной. Насколько уменьшится мощность нагревателя, можно узнать, сколько оптической энергии солнца было поглощено для нагрева устройства.

Используемое в настоящее время устройство TSI, прикрепленное к Международной космической станции, называется датчиком полного и спектрального солнечного излучения (TSIS). Он относительно тяжелый и большой, размером почти с общежитский холодильник, что делает его отправку в космос более дорогой.