Bilim adamları uydulardaki bulutlu filtrelerin gizeminin cevabını keşfetti

Güneşe bakan bazı uydularda meydana gelen bir gizem var ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) ile Atmosfer ve Uzay Fiziği Laboratuvarı’ndan (LASP) bilim adamları olayla ilgileniyor. Ekip, güneşin ultraviyole (UV) ışınlarını izleyen dedektörlere girerken güneş ışığını filtreleyen küçük, ince metal zarların performansını neyin bulanıklaştırdığını ve tehlikeye attığını anlamaya çalışıyor.

Bu dedektörler, Dünya’ya ulaşabilecek ve geçici olarak iletişimi bozabilecek veya GPS okumalarını engelleyebilecek, yaklaşan güneş fırtınalarına (güneşin yüzeyinden gelen radyasyon patlamaları) karşı bizi uyarabilir.

Geçen yıl, ekip hakim olan teoriyi çürüttü: Bu bulutlanmanın, uydu üzerinde istiflenen organik kaynaklardan gelen filtrelerin yüzeyinde karbon birikmesi olduğu.

Şimdi, üç yeni makaleden oluşan bir dizide, NIST ve LASP’den aynı ekip, gerçek suçlu olduğunu düşündükleri şey için güçlü bir savunma yaptı: Güneşten gelen UV ışığıyla birlikte kalın bir tabaka oluşturan suyun neden olduğu oksidasyon. alüminyum oksit -önceden mümkün olduğu düşünülenden çok daha kalın- gelen ışınları engeller.

Bonus olarak, araştırmacılar suyun kaynağını belirlediklerine inanıyorlar: bir uzay gemisindeki aletlerin sıcaklığını kontrol etmek için kullanılan termal battaniyeler. Bu bilgi, bilim adamlarının, belki de filtrelerin termal battaniyelerin etrafındaki alana maruz kalmasını sınırlayan donanımlar ekleyerek veya filtrelerin kendilerinin bir parçası olarak farklı malzemeler kullanarak, bu tür filtrelere dayanan gelecekteki uyduların performansını iyileştirmelerine yardımcı olabilir.

Üç gazeteden ilki bugün yayınlandı. Güneş Fiziği.

NIST’den Charles Tarrio, “Bildiğim kadarıyla, ultraviyole ışığa maruz kalma nedeniyle filtre oksidasyonuna bakan tek kişi biziz” dedi.

NIST fizikçisi Robert Berg, suyun problemden sorumlu olduğunu kanıtlamanın “bir nevi bir-iki yumruk” olduğunu söyledi. “Birinci yumruk, suyu içeren bu kimyasal sürecin, gerçekte uydularda olduğunu gördüğümüze benzer bir şeye neden olabileceğini fiziksel olarak gösteriyordu. Ve iki numaralı yumruk, her şeyi hesaba katan teorik bir model oluşturduğunuzda, ardından sayıların sıralandığını söylüyor. nicel olarak uydularda gördüklerimizle.

Berg, “Her şeyi bir araya getirerek ikna oldum” dedi. “Filtre bozulmasından su sorumludur.”

#Filtresiz

Güneş tarafından üretilen ışığın çoğu görülebilir ve dalga boyu yaklaşık 750 nanometre (nm, metrenin milyarda biri) olan kırmızı ışıktan dalga boyu yaklaşık 400 nm olan mor ışığa kadar değişir. Diğer dalga boylarının yanı sıra güneş, 100 nm’den sadece 10 nm’ye kadar uzanan aşırı ultraviyole (EUV) aralığında nispeten küçük miktarlarda ışık yayar – dalga boyları insan gözünün göremeyeceği kadar kısadır.

Küçük olmasına rağmen, bu EUV sinyali yararlıdır çünkü Dünya’daki iletişimi bozabilecek veya GPS’in sorun yaşamasına neden olabilecek güneş patlamalarıyla birlikte yükselir. EUV sinyalleri ayrıca bilim insanlarına, koronal kütle fırlatmaları gibi daha yıkıcı fenomenlerin Dünya’ya ulaşmasından saatler, hatta günler önce haber veriyor. Bu yüklü parçacık patlamaları, elektrik hatlarını aşırı yükleyebilir veya havayolu ekibi ve yolcular için radyasyon maruziyetini artırabilir.

Güneşe bakan alan dedektörlerindeki kritik bir ekipman parçası, her biri bir posta pulundan daha küçük olan ve 17 nm ile 80 nm dalga boyu arasındaki EUV ışığı dışında hepsini engelleyen alüminyum filtrelerdir.

Hayatlarına, menzillerinde bol miktarda EUV ışığı yayarak uzayda başlasalar da, sadece birkaç yıl içinde önemli miktarda iletim kabiliyetini kaybedebilirler. Örneğin, bir filtre, 30-nm EUV ışığının %50’sinin dedektöre geçmesine izin vererek başlayabilir. Bu rakam bir yıl içinde %25’e, beş yıl içinde ise %10’a düşebilir.

Bilim adamları, bilinmeyen bazı maddelerin filtrelerde büyüdüğüne veya biriktiğine inanıyorlardı, bu da filtrelerin yalnızca aylar içinde kararmasına ve dedektörlere giren ışık miktarını sınırlamasına neden oluyordu. Önde gelen teori, karbonun cihazın kendisinden dışarı çıktığı ve filtrelerde biriktiğiydi.

NIST ve LASP personeli geçen yıl bunu çürüttüğünde, dikkatlerini çok daha olası bir açıklama olduğunu düşündükleri şeye çevirdiler: oksijen atomlarının su moleküllerinden (H) oluştuğu oksidasyon süreci.₂O) filtrenin kendisinden (Al) alüminyum atomları ile birleşerek puslu bir alüminyum oksit (Al) tabakası oluşturur₂Ö₃). (Bu arada, ince bir alüminyum oksit tabakası, soda kutularından kızartma tavalarına kadar Dünya üzerindeki tüm alüminyum nesneleri doğal olarak kaplar.)

Bilim adamları, bir alüminyum yüzeyi suyun varlığında UV ışığına maruz bırakmanın, doğal olarak oluşanların ötesinde ekstra oksit katmanları oluşturabileceğini zaten biliyorlardı. Ancak alüminyum oksidin bu bulutlanma sorununa neden olacak kadar kalınlaşabileceğini açıklayabilecek mevcut bir teori yoktu.

Araştırmacılar, gerçekte neler olup bittiğini belirlemek için suyun varlığının filtreleri nasıl etkileyebileceğini kapsamlı bir şekilde araştırmaya karar verdiler.

Surf Up

NIST araştırmacıları, su teorilerini kontrollü bir ortamda test etmek istediler: etkili bir şekilde uzay havası yaratmalarına izin veren bir makine. NIST’in Synchrotron Ultraviyole Radyasyon Tesisi (SURF) olarak adlandırılan cihaz, elektronları bir halkada hareket ettirmek için güçlü mıknatıslar kullanan oda büyüklüğünde bir parçacık hızlandırıcıdır. Hareket, test edilen uydu filtreleri gibi hedefleri etkilemek için özel aynalar aracılığıyla yönlendirilebilen EUV ışığı üretir.

Örnek filtrelerini 20 gün boyunca laboratuvar yapımı UV ışığına maruz bırakmalarına rağmen, gerçek uzay filtrelerinin bulanıklığını açıklamak için gereken kalınlıkta oksit katmanları oluşturamadılar. Ancak oksit tabakaları, kabul edilen teorinin öngördüğünden çok daha kalındı.

Araştırmacılar, daha fazla maruz kalma ile gerekli kalınlığa ulaşacaklarına inanıyorlar. Ayrıca, gerçek uzayda filtrelerle aynı oksit kalınlığını elde etmek için örnek filtrelerin yaklaşık 10 ay boyunca SURF ışınına maruz kalması gerektiğini öngördüler.

Farklı bir çizgi izleyen ekip, modelleme çalışmaları da yaptı. Bitmiş modeller, gökbilimcilerin uzayda gerçek alüminyum filtrelerde gördükleriyle neredeyse tamamen eşleşiyor.

Yeni modelin başarısının en önemli parçalarından biri, elektronların alüminyum filtreler içinde hareket ederken dağılması gerçeğini açıklamış olmasıdır. Bu saçılma, oksit büyümesinin dinamiklerini etkileyen ilerlemelerini yavaşlatır.

Berg, “Bu, saçılan elektronları hesaba katan ilk model ve kimyasal reaksiyondaki adımların her biri için literatürde beklenenlerle aynı fikirde olan parametreleri kullanıyor.” Dedi.

Sadece su ekleyin

Ancak modellerin çalışması için önemli bir bilgi parçası eksikti: bu reaksiyonu besleyebilecek önemli bir su kaynağı.

Tarrio, “Beş yıl boyunca sürekli olarak makul sabit oranlarda su yayan bir şey olmalıydı” dedi. “Bu Bobby’yi ayarladı [Berg] bulmak için bu arayışta, bu ne halt olabilir? Uygun bir kaynak ne olabilir? Ve buldu.”

Berg, en olası kaynağın termal battaniyeler olduğu sonucuna varıyor. Bunlar, Dünya’daki suyu yakaladığı bilinen polietilen tereftalat (PET) adı verilen bir plastik türü ile yapılır. Bu su genellikle çoğu ekipman için bir sorun değildir.

Berg, “Bu tür bir suyu tutacak başka bir şey düşünmek zordu,” dedi.

Araştırmacılar, gelecekteki çalışmaların belki de ilgili dalga boylarında hala şeffaf olan ancak oksidasyona duyarlı olmayan filtreler için farklı malzemelerin test edilmesini içermesini umuyor.