Een paar kleine precisiesatellieten zullen proberen de eerste beelden ooit vast te leggen van kleinschalige kenmerken nabij het oppervlak van de zon waarvan wetenschappers denken dat ze de opwarming en versnelling van de zonnewind aandrijven.

Heliofysicus Dr. Doug Rabin van het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, zei dat fotonenzeven, een technologie die extreem ultraviolet licht kan focusseren, kenmerken zouden moeten kunnen oplossen die 10 tot 50 keer kleiner zijn dan wat we vandaag de dag kunnen zien met de Solar Dynamics. EUV-imager van het Observatorium.

Om het meest effectief te zijn, moeten ze echter breed en superdun zijn en voorzien zijn van precieze gaten om het licht te breken. Goddard-ingenieur Kevin Denis werkte in het Detector Development Laboratory van Goddard en ontwikkelde nieuwe manieren om bredere en dunnere membranen te creëren uit wafers van silicium en niobium.

Elke vooruitgang tot nu toe vereiste extra stappen om de resulterende zeven te beschermen, zoals het achterlaten van een honingraat van dikker materiaal om het membraan te ondersteunen en scheuren te voorkomen. "Het is een enorme fysieke uitdaging om zeven met zo'n precisie te construeren", zegt Goddard-heliofysicus dr. Doug Rabin. "Hun kleinste kenmerken zijn 2 micron breed met een opening van 2 micron tussen de perforaties, dat is ongeveer de grootte van de meeste bacteriën."

Vanuit het midden geëtst met steeds kleinere ringen van gaten, worden zeven gebouwd om licht te breken op dezelfde manier als Fresnel-lenzen die in vuurtorens worden gebruikt. Extreem ultraviolet licht dat door deze zeef valt, wordt geleidelijk naar binnen gebogen naar een verre camera. Dunne membranen zijn belangrijk voor de zonnewetenschap omdat deze zeven meer licht doorlaten dan dikkere materialen, zei Denis.

Hij en collega-ingenieur Kelly Johnson produceerden met succes een siliciumzeef met een diameter van 3 inch (8 cm), slechts 100 nanometer dik. Nu experimenteren ze met niobiummembranen, die de efficiëntie van het verzamelen van licht verder kunnen verbeteren omdat ze tot zeven keer meer licht doorlaten dan silicium. Ze zijn erin geslaagd een niobiumzeef met een diameter van 13 cm en een dikte van slechts 200 nanometer te etsen.

Denis haalt inspiratie uit de nauwe samenwerking met wetenschappers om barrières te overwinnen die de vooruitgang van hun vakgebied in de weg staan, zei hij. "Ze hebben uitstekend werk geleverd door de zeven te gebruiken in wetenschappelijke toepassingen op de korte termijn, terwijl wij de technologie pushen voor grotere en capabelere missies."

Fotonenzeven gesneden uit materialen zo dik als 25 micron maken al deel uit van de technologiedemonstratie VISORS – Virtual Super Optics Reconfigurable Swarm – CubeSat-missie, die naar verwachting in 2024 zal worden gelanceerd. VISORS bestaat uit één compacte satelliet ter grootte van een koffertje, uitgerust met zeven licht breken op een ontvanger op een tweede satelliet op 40 meter afstand.

Het behouden van de zeer nauwkeurige baan van dit ruimtevaartuig en het ontwikkelen van een zonnescherm vormen de focus van andere Goddard IRAD-projecten. Het succes van VISOR zou de weg kunnen vrijmaken voor een grotere toekomstige missie, waarbij de afstand tussen ruimtevaartuigen in kilometers wordt gemeten en de grotere resolutie van Denis' dunnere zeven wordt gebruikt zodra ze klaar zijn voor ruimtevluchten. Een andere grotere fotonenzeef zal worden gebruikt om de MUSE-spectrometer, Multi-slit Solar Explorer, te kalibreren die naar verwachting in 2027 wordt gelanceerd.

Het werk van Denis werd belicht in Physics Today , en heeft al geresulteerd in twee patenten, terwijl een derde is ingediend. Peter Hughes, hoofdtechnoloog van Goddard, kende Denis de FY23 IRAD Innovator of the Year Award toe tijdens de jaarlijkse postersessie van het programma op 15 november.

Terwijl hij de grenzen van de techniek blijft verleggen, zegt Denis dat hij uitkijkt naar de lanceringen van MUSE en VISORS. "Het is een geweldige motivatie om te zien hoe ze gebruikt gaan worden voor nieuwe wetenschap, ook al blijven we ons verbeteren."

Meer informatie: Holly Gilbert, Vooruitgang in zonnetelescopen, Physics Today (2023). DOI:10.1063/PT.3.5292

Journaalinformatie: Natuurkunde vandaag

Aangeboden door NASA's Goddard Space Flight Center