Misurare la luce solare dallo spazio, su un chip

7 novembre 2022

di Jennifer Lauren Lee, Istituto nazionale di standard e tecnologia

Per 40 anni, le persone hanno utilizzato sensori spaziali per misurare la quantità di luce proveniente dal sole, fornendo agli scienziati informazioni dettagliate sui cambiamenti climatici sulla Terra.

La maggior parte dell’energia che alimenta il sistema climatico terrestre proviene dalla luce solare. Quindi, se gli scienziati misurassero l’energia che colpisce la Terra proveniente dal sole e misurassero anche l’energia che lascia la Terra, allora potrebbero determinare quanta energia rimane indietro.

Gli scienziati misurano la luce solare che raggiunge la Terra dallo spazio. La quantità che stanno misurando, chiamata “irradianza solare totale” (TSI), include tutta l’energia proveniente da tutte le diverse lunghezze d’onda della luce proveniente dal sole, dall’ultravioletto al visibile e all’infrarosso.

Tuttavia, i dispositivi attualmente utilizzati per monitorare la STI sono relativamente costosi da costruire e lanciare. Ciò mette a rischio la capacità degli scienziati di mantenere una misurazione continua e ininterrotta, di cui hanno bisogno per valutare con precisione le modifiche alla STI nel tempo.

Ora, la nuova tecnologia sviluppata dal National Institute of Standards and Technology (NIST), in coordinamento con il Laboratorio di fisica atmosferica e spaziale (LASP), ha reso possibile costruire e lanciare un dispositivo più leggero, più economico e preciso quanto un strumento comparabile attualmente utilizzato per le misurazioni della STI. Chiamato Compact Total Irradiance Monitor (CTIM), lo strumento è un tipo di misuratore di radiazioni integrato in un chip e lanciato nello spazio su un satellite in miniatura standardizzato chiamato CubeSat.

Il CTIM basato su chip del NIST dovrebbe offrire ai ricercatori un’elevata precisione (con incertezze di appena lo 0,015%) e stabilità (con una deriva – uno spostamento dei valori misurati nel tempo – inferiore allo 0,001% all’anno).

Ciò è paragonabile al misuratore di irraggiamento attualmente in uso per misurare la luce solare. Tuttavia, il nuovo sensore costa un decimo del costo di costruzione, senza contare i risparmi derivanti dal lancio di un rilevatore molto più piccolo nello spazio.

"Questo satellite è stato concepito, costruito, testato e lanciato in pochi anni, mentre il predecessore ha impiegato 20 anni", ha affermato John Lehman del NIST. "Consideriamo questo un grande successo tecnico. Non esistono rilevatori commerciali in grado di farlo."

Il prototipo del rilevatore è stato lanciato quest'estate e raccoglierà dati per due anni.

"A questo punto, i rilevatori primari hanno sperimentato oltre 100 ore di esposizione solare diretta da quando il CTIM CubeSat ha iniziato a effettuare misurazioni", afferma Dave Harber, ricercatore senior presso l'Università del Colorado, Boulder, LASP e ricercatore principale del CTIM. "Il team del CTIM sta attualmente finalizzando l'analisi dei dati raccolti finora, ma l'analisi iniziale mostra che lo strumento in generale, e i rilevatori fabbricati dal NIST in particolare, stanno mostrando eccellenti prestazioni in orbita."

Sia le vecchie che le nuove misurazioni TSI vengono eseguite con bolometri, rilevatori che misurano la radiazione ottica in entrata dal calore che produce. La luce del sole colpisce il bolometro, che assorbe l'energia ottica da una gamma di lunghezze d'onda. L'energia assorbita riscalda un termometro.

Ma questo calore non viene misurato direttamente. Invece, questi dispositivi utilizzano tipicamente il principio della sostituzione elettrica. Un riscaldatore integrato aumenta la temperatura del termometro di una certa quantità arbitraria. Quindi una persiana si apre per rivelare la luce del sole. La radiazione ottica del sole riscalda il termometro e un meccanismo di feedback spegne il riscaldatore per mantenere la temperatura costante. La diminuzione della potenza del riscaldatore indica la quantità di potenza ottica del sole assorbita per riscaldare il dispositivo.

Il dispositivo TSI attualmente in uso, collegato alla Stazione Spaziale Internazionale, è chiamato Total and Spectral Solar Irradiance Sensor (TSIS). È relativamente pesante e grande, quasi quanto il frigorifero di un dormitorio, il che lo rende più costoso da inviare nello spazio.