science >> Wetenschap >  >> Chemie

Het geval van de bewolkte filters:het mysterie van de vernederende zonlichtdetectoren oplossen

Twee EUV-filters die zijn gebruikt in een ruimtevlucht. Het rimpelig uitziende filter bovenop is gemaakt van zirkonium; het gladdere bodemfilter is gemaakt van aluminium. Elk filter is extreem dun - een fractie van de diameter van een mensenhaar - en ongeveer 1,4 mm breed en 4,5 mm lang, ongeveer half zo groot als een zeer platte Tic Tac. Krediet:Andrew Jones/LASP

Meer dan 150 jaar geleden, de zon bestraalde de aarde met een enorme wolk van hete geladen deeltjes. Deze plasmaklodder veroorzaakte een magnetische storm op aarde die ervoor zorgde dat vonken uit telegraafapparatuur sprongen en zelfs een paar branden veroorzaakten. Nu het Carrington-evenement genoemd, naar een van de astronomen die het hebben waargenomen, zo'n magnetische storm kan elk moment opnieuw gebeuren, alleen nu zou het meer dan telegrafieën beïnvloeden:het zou schade kunnen toebrengen aan of storingen veroorzaken in draadloze telefoonnetwerken, GPS-systemen, elektriciteitsnetten die levensreddende medische apparatuur van stroom voorzien en meer.

Op de zon gerichte satellieten bewaken het ultraviolette (UV) licht van de zon om ons vooraf te waarschuwen voor zonnestormen, zowel grote die een Carrington-achtig evenement kunnen veroorzaken als de kleinere, vaker voorkomende storingen die de communicatie tijdelijk kunnen verstoren. Een belangrijk onderdeel van de apparatuur die in deze detectoren wordt gebruikt, is een klein metalen filter dat alles blokkeert, behalve het UV-signaal dat onderzoekers moeten zien.

Maar decennia lang er is een groot probleem geweest:in de loop van slechts een jaar of twee, deze filters verliezen op mysterieuze wijze hun vermogen om UV-licht door te geven, "vertroebelen" en astronomen dwingen om dure jaarlijkse herijkingsmissies te lanceren. Deze missies omvatten het sturen van een pas gekalibreerd instrument de ruimte in om zijn eigen onafhankelijke observaties van het zonlicht te maken ter vergelijking.

Een leidende theorie was dat de filters een laag koolstof ontwikkelden, waarvan de bron verontreinigingen op het ruimtevaartuig is, die binnenkomend UV-licht blokkeerde. Nutsvoorzieningen, NIST-wetenschappers en medewerkers van het Laboratorium voor Atmosferische en Ruimtefysica (LASP) in Boulder, Colorado, het eerste bewijs hebben gevonden dat carbonisatie niet het probleem is, en het moet iets anders zijn, zoals een andere mogelijke verstekeling van de aarde. De onderzoekers beschrijven hun werk in Zonnefysica vandaag.

"Naar mijn weten, het is de eerste kwantitatieve, echt solide argument tegen carbonisatie als oorzaak van de filterdegradatie, " zei NIST-natuurkundige Charles Tarrio.

Waar zijn ze goed voor? Absoluut alles

Het meeste door de zon geproduceerde licht is zichtbaar en omvat de regenboog van kleuren van rood (met een golflengte van ongeveer 750 nanometer) tot violet (met een golflengte van ongeveer 400 nm). Maar de zon produceert ook licht met golflengten die te lang of te kort zijn voor het menselijk oog. Een van deze bereiken is extreem ultraviolet (EUV), die zich uitstrekt van 100 nm tot slechts 10 nm.

Slechts ongeveer een tiende van een procent van het zonlicht valt binnen het EUV-bereik. Dat kleine EUV-signaal is buitengewoon nuttig omdat het samen met zonnevlammen piekt. Deze uitbarstingen op het oppervlak van de zon kunnen veranderingen in de bovenste atmosfeer van de aarde veroorzaken die de communicatie verstoren of de GPS-metingen verstoren, waardoor uw telefoon plotseling denkt dat u zich op 40 voet afstand van uw werkelijke locatie bevindt.

Satellieten die EUV-signalen meten, helpen wetenschappers deze zonnevlammen te volgen. Maar de EUV-signalen geven wetenschappers ook een waarschuwing van uren of zelfs dagen voor meer destructieve verschijnselen zoals coronale massa-ejecties (CME's), het fenomeen dat verantwoordelijk is voor het Carrington Event. Toekomstige CME's kunnen onze elektriciteitsleidingen mogelijk overbelasten of de blootstelling aan straling voor vliegtuigpersoneel en passagiers die op bepaalde locaties reizen, verhogen.

En tegenwoordig, de satellieten doen meer dan ons alleen waarschuwen, zei LASP senior onderzoekswetenschapper Frank Eparvier, een medewerker aan het huidige werk.

"In de afgelopen decennia zijn we van het versturen van alleen maar waarschuwingen dat fakkels toevallig in staat zijn om te corrigeren voor zonnevariabiliteit als gevolg van fakkels en CME's, "Zei Eparvier. "In realtime weten hoeveel de EUV op zonne-energie varieert, maakt het mogelijk om computermodellen van de atmosfeer te laten werken, die vervolgens correcties voor de GPS-eenheden kan produceren om de impact van die variabiliteit te minimaliseren."

Het mysterie van de bewolkte filters

Twee metalen zijn bijzonder nuttig om de enorme hoeveelheden zichtbaar licht uit te filteren om dat kleine maar belangrijke EUV-signaal door te laten. Aluminiumfilters laten EUV-licht door tussen 17 nm en 80 nm. Zirkoniumfilters laten EUV-licht door tussen 6 nm en 20 nm.

Terwijl deze filters hun leven beginnen met het uitzenden van veel EUV-licht in hun respectievelijke bereik, de aluminiumfilters, vooral, verliezen snel hun zendvermogen. Een filter zou kunnen beginnen door 50% van 30 nm EUV-licht door te laten naar de detector. Maar binnen een jaar het laat slechts 25% van dit licht door. Binnen vijf jaar, dat aantal is gedaald tot 10%.

"Het is een belangrijk probleem, "Zei Tarrio. Minder doorgelaten licht betekent dat er minder gegevens beschikbaar zijn - een beetje alsof je probeert te lezen in een slecht verlichte kamer met een donkere zonnebril.

Wetenschappers weten al lang dat koolstofafzettingen zich kunnen ophopen op instrumenten wanneer ze worden blootgesteld aan UV-licht. Bronnen van koolstof op satellieten kunnen van alles zijn, van vingerafdrukken tot de materialen die worden gebruikt bij de constructie van het ruimtevaartuig zelf. In het geval van de mysterieus troebele UV-filters, onderzoekers dachten dat er koolstof op was afgezet, EUV-licht absorberen dat er anders doorheen zou zijn gegaan.

Echter, sinds de jaren 80, astronomen hebben ruimtevaartuigen zorgvuldig ontworpen om zo koolstofvrij mogelijk te zijn. En dat werk heeft hen geholpen met andere carbonisatieproblemen. Maar het hielp niet met het aluminium EUV-filterprobleem. Hoe dan ook, de gemeenschap vermoedde nog steeds dat carbonisatie op zijn minst gedeeltelijk verantwoordelijk was voor de degradatie.

Maak je eigen ruimteweer

Om dit in een gecontroleerde omgeving te testen, NIST-onderzoekers en medewerkers gebruikten een machine waarmee ze effectief hun eigen ruimteweer konden creëren.

Het instrument is NIST's Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility (SURF), een deeltjesversneller ter grootte van een kamer die krachtige magneten gebruikt om elektronen in een cirkel te verplaatsen. De beweging genereert EUV-licht, die via gespecialiseerde spiegels kunnen worden omgeleid om doelen te raken - in dit geval de aluminium en zirkonium satellietfilters.

Elk filter was 6 millimeter bij 18 mm, kleiner dan een postzegel, en slechts 250 nm dik, ongeveer 400 keer dunner dan een mensenhaar. De monsterfilters waren eigenlijk iets dikker dan echte satellietfilters, met andere kleine veranderingen die zijn ontworpen om te voorkomen dat de SURF-straal letterlijk gaten in de metalen brandt. Tijdens het hardlopen, de achterkant van elk filter werd blootgesteld aan een gecontroleerde koolstofbron.

Om het testproces te versnellen, het team vernietigde de filters met het equivalent van vijf jaar ruimteweer in slechts een uur of twee. Overigens, het krijgen van dat soort straalkracht was geen zweet voor SURF.

"We verlagen SURF tot ongeveer een half procent van zijn normale vermogen om de filters aan een redelijke hoeveelheid licht bloot te stellen, Tarrio zei. "De satellieten zijn 92 miljoen mijl verwijderd van de zon, en de zon straalt om te beginnen niet heel veel EUV uit."

Eindelijk, na blootstelling, onderzoekers testten elk filter om te zien hoeveel EUV-licht in het juiste golflengtebereik kon passeren.

Het team ontdekte dat de overdracht niet significant verschilde na blootstelling versus vóór blootstelling, voor het aluminium of het zirkonium. In feite, het verschil in transmissie was slechts een fractie van een procent, lang niet genoeg om het soort vertroebeling te verklaren dat optreedt in echte ruimtesatellieten.

"We waren op zoek naar een vermindering van de transmissie met 30%, ' zei Tarrio. 'En we hebben het gewoon niet gezien.'

Als extra toets de wetenschappers gaven de filters nog grotere doses licht - het equivalent van 50 jaar ultraviolette straling. En zelfs dat leverde niet echt een lichttransmissieprobleem op, er groeit slechts 3 nm koolstof op de filters - 10 keer minder dan onderzoekers hadden verwacht als koolstof verantwoordelijk was.

Dus als het geen koolstof is...

De echte dader is nog niet geïdentificeerd, maar onderzoekers hebben al een andere verdachte op het oog:water.

Zoals de meeste metalen, aluminium heeft van nature een dunne laag op het oppervlak van een materiaal dat oxide wordt genoemd, die ontstaat wanneer aluminium bindt met zuurstof. Alles van aluminiumfolie tot frisdrankblikjes heeft deze oxidelaag, die chemisch identiek is aan saffier.

In het voorgestelde mechanisme het EUV-licht zou aluminiumatomen uit het filter trekken en deze op de buitenkant van het filter afzetten, die al die dunne oxidelaag heeft. De blootgestelde atomen zouden dan reageren met de zuurstof in het water van de aarde dat een ritje op het ruimtevaartuig heeft gemaakt. Samen, het blootgestelde aluminium en water zouden reageren om een ​​veel dikkere oxidelaag te vormen, die in theorie het licht zou kunnen absorberen.

Verdere SURF-experimenten die later dit jaar gepland staan, moeten antwoord geven op de vraag of het probleem echt water is, of iets anders. "Dit zou de eerste keer zijn dat mensen in deze context naar de depositie van aluminiumoxide kijken, ' zei Tarrio. 'We onderzoeken het als een serieuze mogelijkheid.'

— Gerapporteerd en geschreven door Jennifer Lauren Lee