Güneş enerjisi ölçümlerini genişletmek için geleceğin teknolojisini test eden bilim adamları

Temmuz 2022’den bu yana, yaklaşık bir ayakkabı kutusu büyüklüğündeki minyatür bir uydu Dünya’nın yörüngesinde dolaşıyor ve atmosfere ne kadar güneş enerjisi ulaştığını izliyor. Şimdi bilim adamları, yörüngedeyken topladıkları ilk beş aylık ölçümlere ilişkin analizlerini sonlandırıyorlar.

Güneş, Dünya’nın çekirdeği tarafından üretilen enerjiyi gölgede bırakarak, Dünya’nın açık ara en büyük enerji kaynağıdır ve küresel iklimde önemli bir rol oynar. Dünya tarafından ne kadar güneş enerjisinin emildiğinin kesin ve doğru ölçümü—Toplam Güneş Işınlaması (TSI)—Dünya’nın iklim sistemini anlamamız için çok önemlidir.

Kompakt Toplam Işınım İzleme-Uçuş Gösterimi veya CTIM-FD olarak adlandırılan CubeSat, TSI ölçümü için yeni teknolojiler geliştirmek ve test etmek için bir yıllık bir görevde.

CTIM-FD, Colorado Boulder Üniversitesi’ndeki Atmosfer ve Uzay Fiziği Laboratuvarı (LASP) ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) tarafından tasarlanmış ve yapılmıştır.

Bu görevin önemli bir parçası, CTIM’in ölçümlerini daha büyük muadilleriyle doğrudan karşılaştırmak ve ölçümleri aynı derecede kesin ve doğru bir şekilde gerçekleştirebileceğini göstermektir.

“CTIM misyonu, güneş ışınımı ölçümlerinin geleceğinde önemli bir rol oynuyor. CubeSat platformu, ilk fikirden yörüngede gösterime geleneksel uzay teknolojisinden çok daha hızlı geçmemizi sağlayarak, uygulanabilirliğini hızlı bir şekilde göstermemize ve öğrenmemize olanak tanıyor. CTIM-FD misyonunun baş araştırmacısı (PI) ve LASP’deki alet mühendisi David Harber, “gelecekteki görevler için alet tasarımını nasıl geliştireceğimizi” söyledi.

Güneşten tam olarak ne kadar enerji geldiğini izole etmek, iklim bilimcilerin Dünya’nın enerji bütçesinin çeşitli doğal ve insan bileşenlerini birbirinden ayırmasına yardımcı olur. En son Yer Bilimleri Decadal Araştırmasında, metrekare başına watt olarak ölçülen TSI, Dünya bilim adamlarının yapması gereken “En Önemli” ölçümlerden biri olarak belirlendi.

40 yıllık önemli bir iklim rekorunu uzatmak

1978’den beri bilim adamları, TSI’yi ölçmek için çeşitli uzay tabanlı araçlar kullandılar. CTIM, çeşitli görevlerde uçan daha önceki LASP yapımı Toplam Işınlama Monitörlerinin (TIM’ler) daha küçük, daha hafif bir versiyonudur. Bunlar arasında: 2003’ten 2020’ye kadar süren Güneş Radyasyonu ve İklim Deneyi (SORCE); 2013’ten 2019’a kadar yürütülen Toplam Güneş Işınımı Kalibrasyon Aktarım Deneyi; ve 2017’den beri Uluslararası Uzay İstasyonunda bulunan Toplam ve Spektral Güneş Işınımı Sensörü 1 (TSIS-1).

Bu ve diğer araçlar, 40 yılı aşkın bir süredir toplam güneş ışınımının sürekli bir kaydını tutarak iklim bilimcilere paha biçilmez bir veri seti sağladı. LASP bu ölçümü son 20 yıldır sağlamaktadır. TSI verilerinin bu kırılmamış kaydını korumak, gelecek nesil bilim insanlarını iklim değişikliğinin etkilerini anlamaya ve hafifletmeye hazırlamak için kritik öneme sahiptir.

Daha küçük, daha hafif, daha ucuz

Ancak bu daha büyük, daha ağır araçların yapımı ve piyasaya sürülmesi daha pahalıdır. CTIM, bir dizi yenilik kullanılarak daha küçük ve daha hafif hale getirildi. Bunların başında, John Lehman liderliğindeki NIST Boulder Sources and Detectors grubuyla ortaklaşa geliştirilen ve NIST’te Nathan Tomlin tarafından üretilen yeni silikon bolometreler geliyordu.

Silikon dedektörler, karbon nanotüpleri kullanarak optik ışığı emer. Nanotüpler dikey olarak büyütüldü ve güneş ışığını emen ve ısınan çok karanlık bir yüzey oluşturdu. Dedektör ayrıca, direnci sıcaklığına bağlı olan bir malzemeden yapılmış bir termistöre sahiptir ve bu, radyan ısının çok doğru bir şekilde ölçülmesini sağlar.

Harber, “Cihazın kalbi dedektördür ve bu nedenle dedektörleri küçültmek, cihazı küçültmenin en önemli adımıdır” dedi. “Geleneksel dedektörler, ışığı emmek için daha büyük boşluklar kullanır, ancak karbon nanotüpler, düz bir yüzeye sahip bir boşluk kadar emmemize izin verir.”

CTIM, ABD Uzay Kuvvetleri’nin STP-Sat 28A görevinde bir araç paylaşımı olarak bir Virgin Orbit Launcher One roketinde fırlatıldı ve NASA’nın Yer Bilimleri Teknoloji Ofisi’ndeki InVEST programı aracılığıyla finanse edildi. LASP’nin CubeSat görev operasyonları ve veri sistemleri ekipleri, Boulder’daki LASP’deki yer istasyonları aracılığıyla CTIM-FD operasyonları için komuta, aşağı bağlantı, veri yakalama ve veri analizi sağlıyor.

CTIM yörünge ölçümleri Ocak 2023’te American Meteorological Society’nin Denver’daki yıllık toplantısında sunulacak.