Een eeuwenoude technologie die wetenschappers gebruiken om de ionosfeer te onderzoeken - de belangrijke atmosferische laag die de transmissie van radiogolven kan verstoren - wordt kleiner.

Een team van NASA-wetenschappers en ingenieurs in het Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, is het upgraden en miniaturiseren van de elektronica op een prototype instrument, genaamd de Concentratie vs. Hoogte voor een Orbiting Elektromagnetische Sirene, of ECHOES. Het apparaat zou kunnen worden gebruikt om de ionosfeer te "klinken" vanuit een observatorium op de grond of uiteindelijk een constellatie van CubeSats.

De ionosferische laag, die voornamelijk elektrisch geladen of geïoniseerd is door extreem ultraviolette straling afkomstig van de zon gedurende de dag of door het bombardement van kosmische straling gedurende de nacht, is interessant voor wetenschappers vanwege de rol die het speelt bij de overdracht van radiogolven.

Afhankelijk van de concentratie van elektronen in de ionosfeer en de frequentie van de radiogolven, de laag reflecteert radiogolven naar de aarde, in plaats van ze de ruimte in te laten ontsnappen. Echter, zonnevlammen, de spontane uitbarsting van hoogenergetische straling van het oppervlak van de zon, kan een sterke toename van het aantal geïoniseerde deeltjes veroorzaken, waardoor de hoogte en dichtheid van de deeltjes verandert.

"De zwaartekracht trekt het dichtere plasma (geïoniseerd gas) naar de aarde naar lagere hoogten die minder dicht zijn. Dit is een onstabiele configuratie, " zei ECHOES hoofdonderzoeker en Goddard-wetenschapper Mark Adrian. "Deze beweging leidt tot een turbulente vermenging van de ionosfeer, niet in tegenstelling tot het gieten van room in je ochtendkoffie. Dit veroorzaakt dichtheidsonregelmatigheden of structuren die radiogolven reflecteren en breken - wat we eenvoudigweg interferentie noemen."

Om de elektronendichtheid verticaal in de ionosfeer te bepalen, wetenschappers gebruiken al lang radiosounders - in wezen, speciale radiostations. Een reeks verschillende radiofrequenties wordt verticaal naar de ionosfeer gericht en een ontvanger verzamelt en meet vervolgens de waarden van de terugkerende signalen of echo's.

Het onmiddellijke plan is om ECHOES op de grond te gebruiken, bijdragen aan een netwerk van instrumenten die de voorspelling van het ruimteweer en het in realtime in kaart brengen van de ionosfeer ondersteunen. Echter, de instrumenten konden ook in de ruimte vliegen, bijvoorbeeld, in een constellatie van CubeSats die gelijktijdige, multi-point peilingen van de bovenzijde van de omhullende ionosfeer van de aarde, die 46 tot ongeveer 621 mijl boven het aardoppervlak ligt.

De klinkende techniek is zeker een eeuw oud. Echter, het was pas aan het begin van het ruimtetijdperk dat de techniek werd toegepast op sondeerraketten en volwaardige satellietmissies, zoals de in Canada gebouwde en door NASA gelanceerde Alouette 1 in 1962. Meer recentelijk, NASA lanceerde de Radio Plasma Imager op een missie genaamd de Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration, of BEELD. Ook, het Jet Propulsion Laboratory, in samenwerking met zijn Europese partners, zorgde voor een andere sirene, de Mars Advanced Radar voor Subsurface en Ionospheric Sounding, voor de Mars Express-missie van de European Space Agency.

"In principe, wat we doen is het miniaturiseren van een 100 jaar oude signaalverwerkingstechnologie voor radio-ontvangers, " zei ECHOES co-hoofdonderzoeker Damon Bradley, die leiding gaf aan de ontwikkeling van het digitale signaalverwerkingssysteem voor de radiometer op NASA's Soil Moisture Active Passive, of SMAP-missie, die de wereldwijde bodemvochtniveaus volgt. "ECHOES is in wezen een laagfrequente radar die gebruikmaakt van op de ruimte gebaseerde digitale signaalverwerking, zoals op SMAP, maar voor het onderzoeken van de ionosfeer in plaats van het in kaart brengen van de wereldwijde bodemvochtniveaus."

Voordat het geminiaturiseerde instrument in de ruimte kan vliegen, echter, het team moet bewijzen dat het in staat is om dichtheidsmetingen te verkrijgen in een relevante omgeving. Als onderdeel van zijn inspanningen op het gebied van technologieontwikkeling, het team is van plan om ECHOES-elektronica en antennesystemen te integreren met andere instrumenthardware en later dit jaar een test uit te voeren in het Goddard Geophysical and Astronomical Observatory.

"Een succesvolle proof-of-concept-demonstratie van het ECHOES-instrument zou Goddard in een unieke positie plaatsen om te strijden voor andere toekomstige heliofysica of planetaire kansen, met name die betrokken zijn bij CubeSat of kleine satellietplatforms, ' zei Adriaan.