Medindo a luz solar do espaço, em um chip

7 de novembro de 2022

por Jennifer Lauren Lee, Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia

Por 40 anos, as pessoas usaram sensores espaciais para medir a quantidade de luz que vem do sol, o que dá aos cientistas uma visão sobre as mudanças climáticas na Terra.

A maior parte da energia que alimenta o sistema climático da Terra vem da luz solar. Portanto, se os cientistas medirem a energia do sol que atinge a Terra e também medirem a energia que sai da Terra, eles podem determinar quanta energia resta para trás.

Os cientistas medem a luz solar que atinge a Terra a partir do espaço. A quantidade que eles estão medindo - chamada de "radiância solar total" (TSI) - inclui toda a energia de todos os diferentes comprimentos de onda da luz que sai do sol, do ultravioleta ao visível e ao infravermelho.

No entanto, os dispositivos atualmente usados ​​para monitorar o TSI são comparativamente caros para construir e lançar. Isso põe em risco a capacidade dos cientistas de manter uma medição contínua e ininterrupta, necessária para avaliar com precisão as mudanças na ETI ao longo do tempo.

Agora, uma nova tecnologia desenvolvida pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), em coordenação com o Laboratório de Física Atmosférica e Espacial (LASP), tornou possível construir e lançar um dispositivo mais leve, barato e tão preciso quanto um instrumento comparável que está sendo usado atualmente para medições TSI. Chamado de Monitor Compacto de Irradiância Total (CTIM), o instrumento é um tipo de medidor de radiação integrado a um chip e lançado ao espaço em um satélite miniatura padronizado chamado CubeSat.

O CTIM baseado em chip NIST deve fornecer aos pesquisadores alta precisão (com incertezas de apenas 0,015%) e estabilidade (com um desvio - uma mudança nos valores medidos ao longo do tempo - de menos de 0,001% ao ano).

Isso é comparável ao monitor de irradiância atualmente em uso para medir a luz solar. No entanto, o novo sensor custa um décimo do custo de construção, e isso não inclui a economia de lançar um detector muito menor no espaço.

"Este satélite foi concebido, construído, testado e lançado em poucos anos, enquanto o antecessor levou 20 anos", disse John Lehman, do NIST. "Consideramos isso um grande sucesso técnico. Não existem detectores comerciais que possam fazer isso."

O protótipo do detector foi lançado neste verão e coletará dados por dois anos.

“Neste ponto, os detectores primários experimentaram mais de 100 horas de exposição solar direta desde que o CTIM CubeSat começou a fazer medições”, diz Dave Harber, pesquisador sênior da Universidade do Colorado, Boulder, LASP e investigador principal do CTIM. "A equipe do CTIM está atualmente finalizando a análise dos dados obtidos até agora, mas a análise inicial mostra que o instrumento em geral, e os detectores fabricados pelo NIST em particular, estão exibindo excelente desempenho em órbita."

Tanto as medições antigas quanto as novas do TSI são feitas com bolômetros – detectores que medem a radiação óptica recebida do calor que ela produz. A luz do sol atinge o bolômetro, que absorve a energia óptica de uma variedade de comprimentos de onda. A energia absorvida aquece um termômetro.

Mas esse calor não é medido diretamente. Em vez disso, esses dispositivos normalmente usam o princípio da substituição elétrica. Um aquecedor embutido aumenta a temperatura do termômetro em uma certa quantidade arbitrária. Em seguida, uma persiana se abre para revelar a luz do sol. A radiação óptica do sol aquece o termômetro, e um mecanismo de feedback faz com que o aquecedor recue, a fim de manter a temperatura constante. O quanto a potência do aquecedor diminui indica quanta potência óptica do sol foi absorvida para aquecer o dispositivo.

O dispositivo TSI atualmente em uso – anexado à Estação Espacial Internacional – é chamado de Sensor de Irradiância Solar Total e Espectral (TSIS). É relativamente pesado e grande, quase do tamanho de uma geladeira de dormitório, tornando mais caro enviar para o espaço.