Een satelliet ter grootte van een broodbrood heeft 's werelds eerste kaart geproduceerd van de wereldwijde verspreiding van atmosferisch ijs in de 883-Gigahertz-band, een belangrijke frequentie in de submillimetergolflengte voor het bestuderen van wolkenijs en het effect ervan op het klimaat op aarde.

IceCube - het kleine ruimtevaartuig dat in mei 2017 vanuit het internationale ruimtestation ISS werd ingezet - heeft in de ruimte een commerciële 883-Gigahertz-radiometer gedemonstreerd, ontwikkeld door Virginia Diodes Inc., of VDI, van Charlottesville, Virginia, onder een NASA Small Business Innovative Research-contract. Het is in staat om kritieke atmosferische wolkijseigenschappen te meten op hoogten tussen 3-9 mijl (5 km-15 km).

NASA-wetenschappers pionierden met het gebruik van submillimeter-golflengtebanden, die op het elektromagnetische spectrum tussen microgolf en infrarood vallen, ijswolken voelen. Echter, tot IceCube, deze instrumenten hadden alleen gevlogen aan boord van onderzoeksvliegtuigen op grote hoogte. Dit betekende dat wetenschappers alleen gegevens konden verzamelen in gebieden waarover het vliegtuig vloog.

"Met IceCube, wetenschappers hebben nu een werkend submillimeter radiometersysteem in de ruimte voor een commerciële prijs, " zei Dong Wu, een wetenschapper en hoofdonderzoeker van IceCube bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Belangrijker, het geeft een globaal beeld van de verspreiding van wolkijs op aarde."

Om atmosferisch wolkenijs waar te nemen, moeten wetenschappers instrumenten inzetten die zijn afgestemd op een breed scala aan frequentiebanden. Echter, het is vooral belangrijk om met submillimetersensoren te vliegen. Deze golflengte vult een significant datagat in de middelste en bovenste troposfeer, waar ijswolken vaak te ondoorzichtig zijn voor infrarood- en zichtbare sensoren om door te dringen. Het onthult ook gegevens over de kleinste ijsdeeltjes die niet duidelijk kunnen worden gedetecteerd in andere microgolfbanden.

De technische uitdaging

IceCube's kaart is de eerste in zijn soort en belooft veel goeds voor toekomstige ruimteobservaties van wereldwijde ijswolken met behulp van submillimetergolftechnologie, zei Wu, wiens team het ruimtevaartuig heeft gebouwd met behulp van financiering van NASA's Earth Science Technology Office (ESTO) In-Space Validation of Earth Science Technologies (InVEST) -programma en NASA's Science Mission Directorate CubeSat Initiative. De uitdaging van het team was ervoor te zorgen dat de commerciële ontvanger gevoelig genoeg was om atmosferisch wolkenijs te detecteren en te meten met zo min mogelijk stroom.

uiteindelijk, het bureau wil dit type ontvanger inbrengen in een radiometer voor beeldvorming van ijswolken voor NASA's voorgestelde Aerosol-Cloud-Ecosystems, of ACE, missie. Aanbevolen door de National Research Council, ACE zou dagelijks de wereldwijde verspreiding van ijswolken beoordelen, die van invloed zijn op de emissie van infrarode energie door de aarde in de ruimte en de weerkaatsing en absorptie van de energie van de zon over brede gebieden. Voordat IceCube, deze waarde was zeer onzeker.

"Het spreekt boekdelen dat onze wetenschappers wetenschap bedrijven met een missie die in de eerste plaats bedoeld was om technologie te demonstreren, " zei Jared Lucey, een van de instrumentingenieurs van IceCube. Hij was een van de weinige wetenschappers en ingenieurs bij Goddard en NASA's Wallops Flight Facility in Virginia die IceCube in slechts twee jaar tijd ontwikkelden. "We hebben onze missiedoelen bereikt en nu is al het andere een bonus, " hij zei.

Meerdere lessen geleerd

Naast het demonstreren van submillimetergolfwaarnemingen vanuit de ruimte, het team heeft belangrijke inzichten gekregen in hoe efficiënt een CubeSat-missie kan worden ontwikkeld, bepalen welke systemen overbodig moeten worden en welke tests moeten worden achterwege gelaten vanwege beperkte middelen en een korte planning, zei Jaime Esper, IceCube's ontwerper van missiesystemen en technisch projectmanager bij Goddard.

"Het was geen gemakkelijke taak, " zei Negar Ehsan, IceCube's instrumentsysteemkabel. "Het was een low-budget project" waarvoor het team in relatief korte tijd zowel een technische testeenheid als een vliegmodel moest ontwikkelen. Ondanks de uitdagingen, het team heeft het door VDI geleverde instrument op tijd en binnen budget opgeleverd. "We hebben voor het eerst 883-Gigahertz-waarnemingen in de ruimte gedemonstreerd en bewezen dat het door VDI geleverde systeem naar behoren werkt, "zei ze. "Het was de moeite waard."

Het team gebruikte commerciële kant-en-klare componenten, inclusief radiometer van VDI. De componenten kwamen van meerdere commerciële aanbieders en werkten niet altijd harmonieus samen, techniek vereist. Het team integreerde niet alleen de radiometer in het ruimtevaartuig, maar bouwde ook grondondersteuningssystemen voor ruimtevaartuigen en voerde thermisch vacuüm uit, trillingen, en antennetesten bij Goddard en Wallops.

"IceCube is niet perfect, "Wu gaf toe, verwijzend naar ruis of kleine fouten in de gegevens van de radiometer. "Echter, we een wetenschappelijk bruikbare meting kunnen doen. We hebben veel geleerd van dit CubeSat-project, en de volgende keer kunnen ingenieurs het veel sneller bouwen."

"Dit is een ander missiemodel voor NASA, "Vervolgde Wu. "Ons belangrijkste doel was om te laten zien dat deze kleine missie kon worden uitgevoerd. De vraag was, kunnen we nuttige wetenschap krijgen en ruimtetechnologie vooruithelpen met een goedkope CubeSat die is ontwikkeld in het kader van een effectief partnerschap tussen overheid en bedrijfsleven. Ik geloof dat het antwoord ja is."

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.

NASA ESTO ondersteunt InVEST-missies zoals IceCube en technologieën 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.