Achter elke weersvoorspelling - van uw lokale, vijfdaagse voorspelling voor een laattijdige update van de orkaanbaan - zijn de satellieten die ze mogelijk maken. Overheidsinstanties zijn afhankelijk van observaties van weersatellieten om voorspellingsmodellen te informeren die ons helpen ons voor te bereiden op naderende stormen en gebieden te identificeren die moeten worden geëvacueerd of eerstehulpverleners.

Weersatellieten zijn van oudsher grote, zowel in de inspanning die nodig is om ze te bouwen als op ware grootte. Ze kunnen enkele jaren in beslag nemen om te bouwen en kunnen zo groot zijn als een kleine schoolbus. Maar dat zou in de toekomst allemaal kunnen veranderen met behulp van een satelliet ter grootte van een schoenendoos die later deze maand in een baan om de aarde zal draaien.

De door NASA gefinancierde CubeSat, genaamd Microwave Radiometer Technology Acceleration (MiRaTA), zal in de baan van de aarde worden gelanceerd vanaf de raket die de volgende grote Amerikaanse weersatelliet (NOAA's JPSS-1) de ruimte in brengt. MiRaTA is ontworpen om aan te tonen dat een kleine satelliet instrumenttechnologie kan dragen die in staat is om de kosten en omvang van toekomstige weersatellieten te verminderen en het potentieel heeft om routinematig betrouwbare weergegevens te verzamelen.

Microgolfradiometers zijn een van de werkpaardinstrumenten aan boord van de huidige weersatellieten. Deze gevoelige instrumenten meten radiofrequentiesignalen die verband houden met de thermische straling die wordt uitgezonden door atmosferische gassen, zoals moleculaire zuurstof en waterdamp, en detecteren ook deeltjes zoals wolkenijs. Deze gegevens zijn belangrijke input voor modellen die stormen en andere weersomstandigheden volgen. Het kalibreren van deze radiometers is belangrijk om te voorkomen dat ze afdrijven, zodat hun gegevens kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige weer- en klimaatmodellen. Daarom, een kalibratiedoel is meestal opgenomen in de satelliet om de radiometer te helpen zijn nauwkeurigheid te behouden.

Het miniaturiseren van microgolfradiometerinstrumenten om op een CubeSat te passen, leidt tot de uitdaging om een ​​kalibratie-instrument te vinden dat niet alleen nauwkeurig maar ook compact is, zei Kerri Cahoy, hoofdonderzoeker voor MiRaTA en een universitair hoofddocent bij de afdeling Lucht- en ruimtevaart aan het Massachusetts Institute of Technology. "Je hebt geen ruimte voor de omvangrijke kalibratiedoelen die je normaal op grotere satellieten zou gebruiken, Cahoy zei. "Kalibratiedoelen voor microgolfradiometers op grotere satellieten kunnen zo groot zijn als een broodrooster, maar voor CubeSats, het zou de grootte van een pak kaarten moeten hebben."

Cahoy en haar collega William Blackwell, de microgolfradiometer-instrumentleiding van het MIT Lincoln Laboratory, hebben een oplossing bedacht op basis van een techniek die ze studeerde in de graduate school genaamd radio occultation (RO), waarbij radiosignalen die worden ontvangen van GPS-satellieten in een hogere baan worden gebruikt om de temperatuur te meten van hetzelfde volume atmosfeer dat de radiometer bekijkt. De GPS-RO temperatuurmeting kan dan worden gebruikt voor het kalibreren van de radiometer.

"In de natuurkundeles je leert dat een potlood ondergedompeld in water eruit ziet alsof het in tweeën is gebroken omdat licht in het water anders buigt dan in de lucht, " zei Cahoy. "Radiogolven zijn als licht omdat ze breken wanneer ze door veranderende luchtdichtheid gaan, en we kunnen de grootte van de breking gebruiken om de temperatuur van de omringende atmosfeer met bijna perfecte nauwkeurigheid te berekenen en dit te gebruiken om een ​​radiometer te kalibreren."

In 2012 heeft NASA's In-Space Validation of Earth Science Technologies (InVEST) -programma een verzoek ingediend voor technologische demonstratievoorstellen, wat Blackwell en Cahoy ertoe aanzette, die toen doceerde aan het MIT, testten hun theorie door een project aan te bieden aan Cahoy's studenten in haar sensoren en instrumentatieklas om te bepalen of het idee haalbaar was. Toen twee studenten door middel van computermodellering aantoonden dat radio-occultatie inderdaad zou kunnen werken voor kalibratie van radiometers, Cahoy en Blackwell vroegen Rebecca Bishop van de Aerospace Corporation, die GPS-RO ontvangers heeft ontwikkeld voor CubeSats, om het team te vervoegen. Vervolgens dienden ze een volledig voorstel voor MiRaTA in bij NASA, die in het voorjaar van 2013 groen licht gaf voor financiering.

Het bouwen van MiRaTA was een teamprestatie. Bishop wijzigde een kant-en-klaar, goedkope GPS-ontvanger om de radio-occultatiemetingen te doen voor kalibratie; MIT Lincoln Laboratory en University of Massachusetts Amherst hebben hun technische vaardigheden toegepast om de microgolfradiometer verder te miniaturiseren; en Cahoy en haar studententeam, begeleid door deskundige mentoren bij MIT Lincoln, bouwde de satelliet die alles zou huisvesten.

"Het bouwen van een CubeSat kan moeilijk zijn omdat je batterijen moet plaatsen, een radio, een computer, je instrumenten, wielen die je laat draaien om je satelliet te laten kantelen en draaien, en gevouwen zonnepanelen en antennes allemaal in een zeer kleine ruimte, "Zei Cahoy. "En je gebruikt het ruimte-equivalent van plakband en superlijm om deze warboel van draden en connectoren in te perken en het in zijn behuizing te krijgen.

"Maar, " voegde Cahoy toe, "het harde werk zal echt zijn vruchten afwerpen in geweldige wetenschappelijke gegevens als alles volgens plan verloopt."

In het gunstigste geval, drie weken na lancering zal MiRaTA volledig operationeel zijn, en binnen drie maanden heeft het team validatiegegevens van zowel de radiometer als de GPS-ontvanger. Het grote doel van de missie - de technologiedemonstratie tot een succes verklaren - zou iets verderop worden bevestigd, minstens een half jaar weg, na de data-analyse.

Als de technologievalidatie van MiRaTA slaagt, Cahoy zei dat ze zich een uiteindelijke constellatie van deze CubeSats voorstelt die rond de hele aarde draaien, elke 15 minuten snapshots maken van de toestand van de atmosfeer en het weer - frequent genoeg om stormen te volgen, van sneeuwstormen tot orkanen, live. "Ons doel is om onze radiometers net zo goed te laten presteren als die van de huidige weersatellieten en om het soort gegevens te kunnen leveren dat instanties en mensen die zich op het pad van een natuurramp bevinden, helpt om zich vroegtijdig en verstandig voor te bereiden, " ze zei.

"Dit is een zeer opwindende missie, aangezien het de eerste demonstratie in een baan om de aarde zal zijn van een all-weather, drie-frequentie radiometer CubeSat met atmosferische GPS-RO-gebaseerde kalibratie, " zei Charles Norton van NASA Jet Propulsion Laboratory, een programmamedewerker bij NASA's Earth Science Technology Office (ESTO) en de taakmanager voor MiRaTA. "Het is een echt bewijs van de creativiteit en innovatie van de betrokken teams dat ze meettechnologieën ontwikkelen voor toekomstige kleine satellietconstellatiemissies, " hij zei, terwijl ze eraan toevoegen dat het Space Dynamics Laboratory van de Utah State University en de NASA Wallops Flight Facility grondstation- en missieactiviteiten voor de CubeSat ondersteunen.

MiRaTA en andere Earth Science InVEST-missies worden gefinancierd en beheerd door NASA's ESTO-programma in de Earth Science Division van NASA. ESTO ondersteunt technologen in NASA-centra, industrie en de academische wereld te ontwikkelen, verfijnen en demonstreren van nieuwe methoden voor het observeren van de aarde vanuit de ruimte, van informatiesystemen tot nieuwe componenten en instrumenten.

kleine satellieten, inclusief CubeSats, spelen een steeds grotere rol bij exploratie, technologie demonstratie, wetenschappelijk onderzoek en onderwijsonderzoek bij NASA, waaronder:planetaire ruimteverkenning; Aardobservaties; fundamentele aard- en ruimtewetenschap; en het ontwikkelen van voorloperwetenschappelijke instrumenten zoals geavanceerde lasercommunicatie, satelliet-naar-satelliet communicatie en autonome bewegingsmogelijkheden.