Met de ongekende belofte die de door de EU ondersteunde EISCAT3D-radarinfrastructuur biedt voor onderzoek naar ruimteverschijnselen in de buurt van de aarde, nauwkeurigheid en efficiëntie van het systeem staat voorop. Het onlangs afgesloten EISCAT3D_PfP-project heeft met succes de levensvatbaarheid van het initiatief aangetoond, om het in de uitvoeringsfase te brengen.

EISCAT3D biedt een krachtige nieuwe onderzoeksinfrastructuur, radarobservaties gebruiken om te onderzoeken hoe de atmosfeer van de aarde is gekoppeld aan de ruimte rond de planeet, evenals het verstrekken van bredere steun aan zonnestelsel- en radioastronomiewetenschappen. Met behulp van veelzijdige computertechnologie, het zal ook nieuwe onderzoeksgebieden helpen, zoals micrometeormetingen en beeldvorming van asteroïden.

De onlangs voltooide implementatiefase van het project, genaamd EISCAT3D_PfP, heeft de noodzakelijke aanpak voor EISCAT3D vastgesteld om zijn gedetailleerde, driedimensionale metingen van het geïoniseerde deel van de bovenkant van de atmosfeer.

De locatie voor de EISCAT3D-tool bevindt zich in een regio waar de koppeling tussen de atmosfeer en de ruimte het meest direct en dynamisch is, de nachtelijke poollichtzone in het Fenno-Scandinavische Noordpoolgebied. Zoals projectcoördinator Dr. Craig Heinselman uitlegt:"Als we naar de aurora kijken of het meten met optische instrumenten, we zien de effecten van geladen deeltjes gedeeltelijk geleid door het aardmagnetisch veld, omdat ze grote hoeveelheden energie en momentum naar de top van de neutrale atmosfeer afzetten. Hoewel dit indrukwekkend is om te zien, het is slechts een deel van het verhaal, want er gaat ook energie naar het ioniseren van de atmosfeer."

EISCAT3D stelt wetenschappers in staat om de resultaten van deze atmosferische ionisatie te zien en om de ionen en elektronen te gebruiken als tracers die de processen aangeven die het aandrijven, zoals elektrische velden. Het is te hopen dat het volgen van de verschijnselen terwijl deze zich ontvouwen, zal leiden tot een beter begrip van waar de energie naartoe gaat, hoe het samenwerkt met het grotere systeem en welke impact dit heeft.

Het project is ontworpen met phased array radars. Het wijzigen van de radarelektronica voor zowel zenden als ontvangen, leidt ertoe dat ze zeer snel van richting veranderen. Indien vereist, dankzij het ontwerp kan het elke 1/1000ste van een seconde in een andere richting kijken. Dit in tegenstelling tot de meer typische schotelvormige radars, die alleen in verschillende richtingen kunnen kijken door grote krachtige elektromotoren te gebruiken om hun zware antennehardware te verplaatsen.

Aanvullend, twee van de EISCAT3D-antennes zullen alleen ontvangen zijn, wat betekent dat naast het volgen van de snelle beweging van de zendstraal, ze kunnen tegelijkertijd in 100 verschillende richtingen kijken. Hierdoor kunnen ze tegelijkertijd de uitgezonden signalen op alle hoogten zien, niet alleen op een enkele hoogte zoals het geval is met sommige huidige besturingssystemen.

Een grote uitdaging die het EISCAT3D_PfP-project kon overwinnen, was het kunnen ontwikkelen van een systeem met voldoende rekencapaciteit om aan de ontwerpopdracht te voldoen. Zoals Dr. Heinselman zich herinnert, "Toen de ontwerpstudie werd uitgevoerd, was het gewoon niet betaalbaar om 100 gelijktijdige smalle bundels te leveren bij ontvangst, dus het oorspronkelijke ontwerp ondersteunde er slechts zeven. Gelukkig, vooruitgang, met name in veldprogrammeerbare poortarraytechnologie, maakte de 100 balken praktisch en betaalbaar."

Gezien de nauwkeurigheid van de vereiste metingen, een andere uitdaging was het bouwen van een systeem waarvan de interne computerklokken geen ruis zouden genereren die de signalen die het wil meten zou kunnen overweldigen. Een uiterst ingewikkelde taak, aangezien de ontvangst van signalen van de radar, wanneer gecombineerd, zijn ongeveer 20 ordes van grootte (0,00000000000000001 %) kleiner dan het uitgezonden signaal. Om dit projectdoel te bereiken was niet alleen een zorgvuldig ontwerp nodig, maar ook uitgebreid testen door het projectteam.

EISCAT3D_PfP heeft nu de haalbaarheid van de EISCAT3D-projectdoelen aangetoond en in de implementatiefase gelanceerd. De systemen van EISCAT3D zullen naar verwachting eind 2021 beschikbaar zijn voor wetenschappers.

Kijkend naar de toekomst zegt Dr. Heinselman:"Omdat EISCAT3D een wetenschappelijk instrument voor onderzoek is, is het moeilijk om definitief te zeggen waar het werk toe zal leiden, maar een veelbelovend gebied is de wetenschappelijke onderbouwing die de effecten van ruimteweer voorspellen. Deze effecten hebben en zal zeker blijven, een groeiende impact op een samenleving die steeds afhankelijker wordt van op de ruimte gebaseerde technologieën."