Een heel klein instrument heeft een grote taak voor de boeg:het meten van alle op de aarde gerichte energie die van de zon komt en het helpen van wetenschappers om te begrijpen hoe die energie het slechte weer, de klimaatverandering en andere mondiale krachten op onze planeet beïnvloedt.

De Compact Total Irradiance Monitor (CTIM) is ongeveer zo groot als een schoenendoos of gameconsole en is de kleinste satelliet die ooit is uitgezonden om de som van alle zonne-energie die de aarde van de zon ontvangt te observeren, ook wel bekend als 'totale zonnestraling'.

Totale zonnestraling is een belangrijk onderdeel van het aardstralingsbudget, dat de balans tussen inkomende en uitgaande zonne-energie volgt. Toenemende hoeveelheden broeikasgassen die worden uitgestoten door menselijke activiteiten, zoals het verbranden van fossiele brandstoffen, houden grotere hoeveelheden zonne-energie vast in de atmosfeer van de aarde.

Die verhoogde energie verhoogt de wereldwijde temperaturen en verandert het klimaat op aarde, wat op zijn beurt zaken als stijgende zeespiegels en zwaar weer stimuleert.

"Verreweg de dominante energietoevoer naar het klimaat op aarde komt van de zon", zegt Dave Harber, senior onderzoeker aan de Universiteit van Colorado, Boulder, Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) en hoofdonderzoeker voor CTIM. "Het is een belangrijke input voor voorspellende modellen die voorspellen hoe het klimaat op aarde in de loop van de tijd kan veranderen."

NASA-missies zoals het Earth Radiation Budget Experiment en NASA-instrumenten zoals CERES hebben klimaatwetenschappers in staat gesteld om een ​​ononderbroken record van totale zonnestraling te behouden die teruggaat tot 40 jaar. Dit stelde onderzoekers in staat om verhoogde zonne-energie als boosdoener voor klimaatverandering uit te sluiten en de rol te herkennen die broeikasgassen spelen bij het broeikaseffect.

Ervoor zorgen dat dat record ongebroken blijft, is van het grootste belang voor aardwetenschappers. Met een ononderbroken totale zonnestralingsrecord kunnen onderzoekers kleine fluctuaties detecteren in de hoeveelheid zonnestraling die de aarde ontvangt tijdens de zonnecyclus, en de impact benadrukken die de uitstoot van broeikasgassen heeft op het klimaat op aarde.

Vorig jaar vertrouwden onderzoekers van NASA en NOAA bijvoorbeeld op het ononderbroken record van totale zonnestraling om te bepalen dat tussen 2005 en 2019 de hoeveelheid zonnestraling die in de atmosfeer van de aarde achterblijft bijna verdubbelde.

"Om ervoor te zorgen dat we deze metingen kunnen blijven verzamelen, moeten we instrumenten zo efficiënt en kosteneffectief mogelijk maken," zei Harber.

CTIM is een prototype:de vluchtdemonstratie zal wetenschappers helpen bepalen of kleine satellieten net zo effectief kunnen zijn in het meten van de totale zonnestraling als grotere instrumenten, zoals het Total Irradiance Monitor (TIM)-instrument dat wordt gebruikt aan boord van de voltooide SORCE-missie en de lopende TSIS-1 missie op het internationale ruimtestation. Indien succesvol, zal het prototype de benaderingen bevorderen die voor toekomstige instrumenten worden gebruikt.

De stralingsdetector van CTIM maakt gebruik van een nieuw koolstofnanobuismateriaal dat 99,995% van het invallende licht absorbeert. Dit maakt het uitermate geschikt voor het meten van de totale zonnestraling.

Door de omvang van een satelliet te verkleinen, worden de kosten en de complexiteit van het inzetten van die satelliet in een lage baan om de aarde verminderd. Dat stelt wetenschappers in staat om reserve-instrumenten voor te bereiden die het TSI-gegevensrecord kunnen bewaren als een bestaand instrument defect raakt.

De nieuwe stralingsdetector van CTIM, ook wel bolometer genoemd, maakt gebruik van een nieuw materiaal dat is ontwikkeld in samenwerking met onderzoekers van het National Institute for Standards and Technology.

"Het lijkt een beetje op een heel, heel donker shag-tapijt. Het was de zwartste substantie die mensen ooit hadden gemaakt toen het voor het eerst werd gemaakt, en het blijft een uitzonderlijk nuttig materiaal voor het observeren van TSI," zei Harber.

Gemaakt van minuscule koolstofnanobuisjes die verticaal op een siliciumwafel zijn gerangschikt, absorbeert het materiaal bijna al het licht langs het elektromagnetische spectrum.

De twee bolometers van CTIM nemen samen minder ruimte in beslag dan de voorkant van een kwart. Hierdoor konden Harber en zijn team een ​​klein instrument ontwikkelen dat geschikt is voor het verzamelen van totale stralingsgegevens van een klein CubeSat-platform.

Een zusterinstrument, de Compact Spectral Irradiance Monitor (CSIM), gebruikte in 2019 dezelfde bolometers om met succes de variabiliteit binnen lichtbanden in zonlicht te onderzoeken. Toekomstige NASA-missies kunnen CTIM en CSIM samenvoegen tot één compact instrument voor zowel het meten als het ontleden van zonnestraling.

"Nu vragen we ons af:'Hoe kunnen we wat we met CSIM en CTIM hebben ontwikkeld, samen integreren'", zei Harber.

Harber verwacht dat CTIM ongeveer een maand na de lancering begint met het verzamelen van gegevens, momenteel gepland voor 30 juni 2022, aan boord van STP-28A, een Space Force-missie uitgevoerd door Virgin Orbit. Zodra Harber en zijn LASP-collega's de zonnepanelen van CTIM uitvouwen en elk van zijn subsystemen controleren, zullen ze CTIM activeren. Het is een delicaat proces dat zorgvuldigheid en uiterste zorg vereist.

"We willen onze tijd nemen en ervoor zorgen dat we deze stappen rigoureus uitvoeren en dat elk onderdeel van dit instrument correct werkt voordat we verder gaan met de volgende stap," zei Harber. "Alleen al demonstreren dat we deze metingen kunnen verzamelen met een CubeSat zou een groot probleem zijn. Dat zou heel bevredigend zijn."

Gefinancierd via het InVEST-programma in het Earth Science Technology Office van NASA, wordt CTIM gelanceerd vanuit de Mojave Air and Space Port in Californië aan boord van de LauncherOne-raket van Virgin Orbit als onderdeel van de STP-S28A-missie van de Verenigde Staten Space Force.

Een andere NASA-afgestudeerde van het InVEST-technologieprogramma, NACHOS-2, zal ook aan boord zijn. Een NACHOS-tweeling, NACHOS-2, zal het ministerie van Energie helpen om sporengassen in de atmosfeer van de aarde te monitoren. + Verder verkennen

NASA-instrumentsleutel voor begrip van planeet op zonne-energie arriveert in Kennedy Space Center