In een kleine, vierkante kamer ommuurd door vier voet beton, de lucht ruikt alsof er zojuist een onweersbui is gepasseerd - fris en scherp, zoals schoonmaakspullen. Buiten, dat is de geur van bliksem die zuurstof in de lucht verscheurt, die gemakkelijk herschikt in ozon. Maar ondergronds in een van de kamers van NASA's Radiation Effects Facility, de geur van ozon blijft hangen na stralingstests met hoge energie. De straling die ingenieurs gebruiken om elektronica voor ruimtevluchten te testen, is zo krachtig dat het de zuurstof in de kamer versnippert.

Elk onderdeel van elk NASA-instrument dat bestemd is voor ruimtevluchten, ondergaat stralingstests om ervoor te zorgen dat het in de ruimte kan overleven. Het is niet gemakkelijk om een ​​ruimtevaartuig te zijn; onzichtbaar, energetische deeltjes ritselen door de ruimte - en hoewel er zo weinig zijn dat de ruimte als een vacuüm wordt beschouwd, wat er is, maakt indruk. Kleine deeltjes kunnen grote schade aanrichten aan de elektronica die we de ruimte in sturen.

Terwijl NASA het zonnestelsel verkent, stralingstests worden steeds belangrijker. de faciliteit voor stralingseffecten, gehuisvest in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, helpt bij het inspecteren van de hardware die NASA's verkenning van de maan mogelijk maakt, de zon en ons zonnestelsel - van missies om het begin van het universum te begrijpen tot de reis van het Artemis-programma naar de maan veel dichter bij huis.

"We zullen ervoor kunnen zorgen dat mensen, elektronica, ruimtevaartuigen en instrumenten - alles wat we daadwerkelijk de ruimte in sturen - zal overleven in de omgeving waarin we het plaatsen, " zei Megan Casey, een ruimtevaartingenieur in de Radiation Effects and Analysis Group bij Goddard.

De exacte omstandigheden die een ruimtevaartuig tegenkomt, hangen af ​​van waar het naartoe gaat, dus ingenieurs testen en selecteren zorgvuldig onderdelen die zijn afgestemd op de bestemming van elk ruimtevaartuig. magnetisch veld van de aarde, bijvoorbeeld, vangt zwermen deeltjes op in twee donutvormige banden, de stralingsgordels. Andere planeten hebben ook stralingsgordels, zoals Jupiter, waarvan de riemen 10 zijn, 000 keer sterker dan die van de aarde. Over het algemeen, hoe dichter bij de zon, hoe harder de wassing van zonnedeeltjes die bekend staat als de zonnewind. En galactische kosmische stralen - deeltjesfragmenten van geëxplodeerde sterren ver buiten het zonnestelsel - kunnen overal worden aangetroffen.

Timing is ook een factor. De zon doorloopt natuurlijke cycli van 11 jaar, schommelen van perioden van hoge naar lage activiteit. In de relatieve rust van het zonneminimum, kosmische straling infiltreert gemakkelijk in het magnetische veld van de zon, in het zonnestelsel stromen. Anderzijds, tijdens zonnemaximum, frequente zonnevlammen overspoelen de ruimte met hoogenergetische deeltjes.

"Op basis van waar ze heen gaan, we vertellen missieontwerpers hoe hun ruimteomgeving eruit zal zien, en ze komen bij ons terug met hun instrumentplannen en vragen, "Gaan deze delen daar overleven?", zei Casey. "Het antwoord is altijd ja, Nee, of ik weet het niet. Als we het niet weten, dat is wanneer we extra testen doen. Dat is het overgrote deel van ons werk."

Het stralingscentrum van Goddard - samen met partnerfaciliteiten in het hele land - is uitgerust om het gamma van ruimtestraling na te bootsen, van de constante irritatie van de zonnewind tot de laaiende stralingsgordels en brute klappen van zonnevlammen en kosmische stralen.

De effecten van ruimtestraling

Ingenieurs gebruiken computermodellen om te bepalen hoe de bestemming van een ruimtevaartuig eruit zal zien - hoeveel straling het daar zal tegenkomen - en wat voor soort tests ze nodig hebben om die omgeving in het laboratorium te spiegelen.

Straling is energie in de vorm van golven of kleine, subatomische deeltjes. Voor ruimtevaartuigen, de grootste zorg is deeltjesstraling. Deze straling, waaronder protonen en elektronen, kunnen hun elektronica op twee manieren beïnvloeden.

De eerste soort, bekend als single event-effecten, zijn onmiddellijke bedreigingen - snelle uitbarstingen van energie wanneer een zonnedeeltje of kosmische straal door een circuit dringt. "Hoog energetische deeltjes dumpen energie in je elektronica, " zei Clive Dyer, een elektrotechnisch ingenieur aan het Space Center van de Universiteit van Surrey in Engeland. "Effecten van één gebeurtenis zullen uw computers in de war brengen, het versleutelen van uw gegevens - in binaire code - van enen naar nullen."

Veel ruimtevaartuigen zijn uitgerust om met deeltjes te herstellen van deze schermutselingen. Maar sommige aanvallen kunnen de programma's van ruimtevaartuigen verstoren, communicatie- of navigatiesystemen beïnvloeden en computercrashes veroorzaken. In het slechtste geval, het resultaat kan catastrofaal zijn. Jaren geleden, laptops van astronauten op de spaceshuttle crashten terwijl ze door bijzonder harige delen van de stralingsgordels gingen, en NASA's Hubble-ruimtetelescoop schakelt preventief zijn wetenschappelijke instrumenten uit wanneer deze door de regio gaat.

En dan, er zijn effecten die met de tijd verergeren. Geladen deeltjes kunnen zich op het oppervlak van een ruimtevaartuig verzamelen en binnen enkele uren een lading opbouwen. Net zoals door een kamer met tapijt lopen en aan een metalen deurknop draaien, opladen triggert statische elektriciteit die elektronica kan beschadigen, sensoren en zonnepanelen. In april 2010, opladen heeft de communicatiesystemen van de Galaxy 15-satelliet uitgeschakeld, acht maanden op drift sturen.

Ruimtevaartuigen moeten hun hele leven straling doorstaan. Langdurige straling, ook wel de totale dosis genoemd, verslijt het materiaal, de instrumentprestaties geleidelijk verminderen naarmate ze langer in een baan om de aarde zijn. Zelfs relatief milde straling kan zonnepanelen en circuits aantasten.

Verscholen in een aangrenzende kamer op veilige afstand van de straling, ingenieurs van de testfaciliteit bekogelen instrumentcomponenten met een mengelmoes van energetische deeltjes, op zoek naar tekenen van zwakte.

Over het algemeen, de effecten van hun tests zijn niet zichtbaar. Een sprong in temperatuur of elektrische stroom kan erop wijzen dat een enkel deeltje een circuit heeft geraakt. Anderzijds, tijdens totale dosistesten, de ingenieurs letten op langzame, sierlijke degradatie, een neveneffect van ruimtereizen waar de meeste missies mee kunnen leven, aangezien ze genoeg tijd hebben om hun wetenschappelijke doelen te bereiken.

"Het ergste geval is een destructief effect van een enkele gebeurtenis, wanneer u een catastrofale storing ziet omdat een instrument is kortgesloten, "Zei Casey. "Het is slecht nieuws voor de missie, maar die zijn voor ons het leukst om te testen. Soms is er zoveel energie, je ziet echt iets gebeuren - in sommige gevallen licht of een schroeiplek."

De stralingsstorm doorstaan

Dus, hoe beschermen ingenieurs ruimtevaartuigen tegen de constante gevaren van ruimtestraling? Een tactiek is om onderdelen te bouwen die vanaf hun fundamenten gehard zijn tegen straling. Ingenieurs kunnen bepaalde materialen selecteren die minder gevoelig zijn voor inslagen of oplading van deeltjes.

Ontwerpers van ruimtevaartuigen vertrouwen op afscherming om hun instrumenten te beschermen tegen langetermijneffecten. Gelaagd aluminium of titanium vertragen energetische deeltjes, voorkomen dat ze gevoelige elektronica bereiken. "Direct, we nemen aan dat alle missies een afschermingsdikte zullen hebben - hoe dik de wanden van het ruimtevaartuig of instrument zijn - van ongeveer een tiende van een inch, ' zei Casey.

Na hun testen, ingenieurs doen specifieke aanbevelingen voor afscherming als de omgeving daarom vraagt. Afscherming voegt volume en gewicht toe, waardoor de brandstofbehoefte of -kosten stijgen, dus ingenieurs geven er altijd de voorkeur aan om zo min mogelijk te gebruiken. "Als we onze modellen kunnen verbeteren en nauwkeuriger kunnen verfijnen hoe de stralingsomgeving eruitziet, we kunnen die muren misschien dunner maken, " ze zei.

Het verzamelen van waarnemingen uit een breed scala aan ruimteomgevingen is een belangrijke stap in het verbeteren van modellen. "Door onze modellen van ruimtestraling te verfijnen, kunnen we uiteindelijk een betere selectie van apparaten maken, " zei Michael Xapsos, een lid van het Project Scientist Team voor NASA's Space Environment Testbeds-missie, die is gewijd aan het bestuderen van de effecten van straling op hardware. "Met meer gegevens, ingenieurs kunnen betere transacties maken tussen risico, kosten, en prestaties in de elektronische apparaten die ze kiezen."

De meest energetische deeltjes zijn onmogelijk te vermijden, zelfs met zware afscherming. Na het testen op effecten van één gebeurtenis, de ingenieurs berekenen een voorspelling voor hoe vaak zo'n klap zou kunnen voorkomen. Het kan zijn, bijvoorbeeld, dat een ruimtevaartuig eens in de 1 kans heeft op een deeltjesinslag 000 dagen. Dit zijn geïsoleerde gebeurtenissen die net zo waarschijnlijk plaatsvinden op de eerste dag van een satelliet in de ruimte als op zijn 1, 000ste dag - en het is aan de ontwerpers van missies om te beslissen hoeveel risico ze kunnen dragen.

Een veel voorkomende strategie tegen effecten van één gebeurtenis is het uitrusten van een instrument met veelvouden van hetzelfde onderdeel die tegelijkertijd samenwerken. Als een computerchip tijdelijk wordt uitgeschakeld door een deeltjesstoot, zijn tegenhangers kunnen de speling oppakken.

Ingenieurs kunnen dergelijke mitigatiestrategieën plannen en ontwikkelen, maar dit gaat het beste als ze de ruimteomgeving waar een satelliet doorheen reist echt begrijpen. Missies zoals Space Environment Testbeds, of SET - gepland voor eind juni - en modelleringsinspanningen bij de Radiation Effects Facility zorgen ervoor dat ze die informatie krijgen.