Messung des Sonnenlichts aus dem Weltraum auf einem Chip

7. November 2022

von Jennifer Lauren Lee, National Institute of Standards and Technology

Seit 40 Jahren verwenden Menschen weltraumgestützte Sensoren, um die Lichtmenge der Sonne zu messen, was Wissenschaftlern Einblicke in den Klimawandel auf der Erde gibt.

Der Großteil der Energie, die das Klimasystem der Erde antreibt, stammt aus Sonnenlicht. Wenn Wissenschaftler also die Energie messen, die von der Sonne auf die Erde trifft, und auch die Energie, die sie von der Erde verlässt, können sie bestimmen, wie viel Energie zurückbleibt.

Wissenschaftler messen das Sonnenlicht, das aus dem Weltraum auf die Erde trifft. Die Menge, die sie messen – die sogenannte „gesamte Sonneneinstrahlung“ (TSI) – umfasst die gesamte Energie aller verschiedenen Wellenlängen des Lichts, das von der Sonne ausgeht, von Ultraviolett über sichtbares Licht bis hin zu Infrarot.

Allerdings sind die derzeit zur Überwachung des TSI eingesetzten Geräte vergleichsweise teuer in der Herstellung und Einführung. Dies gefährdet die Fähigkeit der Wissenschaftler, eine kontinuierliche, ununterbrochene Messung aufrechtzuerhalten, die sie benötigen, um Änderungen des TSI im Laufe der Zeit genau beurteilen zu können.

Jetzt hat es eine neue Technologie, die vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Abstimmung mit dem Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) entwickelt wurde, ermöglicht, ein leichteres, billigeres Gerät zu bauen und auf den Markt zu bringen, das genauso genau ist wie ein vergleichbares Instrument, das derzeit für TSI-Messungen verwendet wird. Bei dem als Compact Total Irradiance Monitor (CTIM) bezeichneten Instrument handelt es sich um eine Art Strahlungsmesser, der in einen Chip integriert ist und auf einem standardisierten Miniatursatelliten namens CubeSat ins All geschossen wird.

Das auf dem NIST-Chip basierende CTIM sollte Forschern eine hohe Genauigkeit (mit Unsicherheiten von nur 0,015 %) und Stabilität (mit einer Drift – einer Verschiebung der Messwerte im Laufe der Zeit – von weniger als 0,001 % pro Jahr) bieten.

Dies ist vergleichbar mit dem Bestrahlungsstärkemonitor, der derzeit zur Messung des Sonnenlichts verwendet wird. Allerdings kostet der neue Sensor nur ein Zehntel der Baukosten, und darin sind die Einsparungen durch den Start eines viel kleineren Detektors ins All noch nicht eingerechnet.

„Dieser Satellit wurde innerhalb weniger Jahre konzipiert, gebaut, getestet und gestartet, während der Vorgänger 20 Jahre brauchte“, sagte John Lehman vom NIST. „Wir halten das für einen großen technischen Erfolg. Es gibt keine kommerziellen Detektoren, die das können.“

Der Prototyp-Detektor wurde diesen Sommer auf den Markt gebracht und wird zwei Jahre lang Daten sammeln.

„Zu diesem Zeitpunkt waren die Primärdetektoren über 100 Stunden direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt, seit CTIM CubeSat mit den Messungen begann“, sagt Dave Harber, leitender Forscher an der University of Colorado, Boulder, LASP und Hauptforscher für CTIM. „Das CTIM-Team schließt derzeit die Analyse der bisher erfassten Daten ab, aber die erste Analyse zeigt, dass das Instrument im Allgemeinen und die vom NIST hergestellten Detektoren im Besonderen eine hervorragende Leistung im Orbit aufweisen.“

Sowohl die alten als auch die neuen TSI-Messungen werden mit Bolometern durchgeführt – Detektoren, die die einfallende optische Strahlung anhand der von ihnen erzeugten Wärme messen. Licht von der Sonne trifft auf das Bolometer, das die optische Energie verschiedener Wellenlängen absorbiert. Die absorbierte Energie erhitzt ein Thermometer.

Aber diese Wärme wird nicht direkt gemessen. Stattdessen nutzen diese Geräte typischerweise das Prinzip der elektrischen Substitution. Eine eingebaute Heizung erhöht die Temperatur des Thermometers um einen bestimmten Betrag. Dann öffnet sich ein Verschluss, um das Sonnenlicht freizugeben. Die optische Strahlung der Sonne erwärmt das Thermometer und ein Rückkopplungsmechanismus sorgt dafür, dass die Heizung abgeschaltet wird, um die Temperatur konstant zu halten. Wie stark die Leistung der Heizung abnimmt, gibt Aufschluss darüber, wie viel optische Energie von der Sonne absorbiert wurde, um das Gerät zu erwärmen.

Das derzeit verwendete TSI-Gerät, das an der Internationalen Raumstation angebracht ist, heißt Total and Spectral Solar Irradiance Sensor (TSIS). Es ist relativ schwer und groß, fast so groß wie ein Kühlschrank im Wohnheim, was den Versand in den Weltraum teurer macht.

Im Gegensatz dazu hat das neue NIST-LASP TSI-Instrument insgesamt die Größe eines Schuhkartons. Es sammelt Sonnenenergie mit winzigen, chipgroßen Geräten, die jeweils etwa die Größe einer Dollarmünze haben und über ein ultraabsorbierendes Material aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) verfügen. Diese CNTs absorbieren im Wesentlichen das gesamte sichtbare Licht sowie den größten Teil des Lichts im ultravioletten (UV) und infraroten (IR) Bereich.

„Selbst weit draußen im Infrarotbereich ist es relativ schwarz“, sagte Lehman. „Nichts anderes ist so. Wir können es dick genug machen, um diese langen Wellenlängen zu absorbieren, und es ist trotzdem in der Lage, die absorbierte Strahlung in den Detektor zu übertragen.“

Die maßgeschneiderten Chip-basierten CNTs wurden vor mehreren Jahren entwickelt. Doch die Entwicklung des vollständigen Chip-basierten Bolometers mit Thermometer, Heizung und anderen Teilen dauerte allein Jahre. Die Geräteprototypen wurden von Nathan Tomlin vom NIST handgefertigt.

„Was wir wirklich vorangebracht haben, ist die Herstellung vollständiger Detektoren“, sagte Lehman. „Alles ist in diesem Chip integriert. Es ist ein multifunktionaler Detektor, auf dem sich zufällig wirklich hochentwickelte Nanoröhren befinden. Das sind nicht die Nanoröhren aus den frühen, aufregenden Tagen der 1990er Jahre.“

Von den acht Chip-basierten Geräten im CubeSat werden nur zwei tatsächlich kontinuierlich das Sonnenlicht messen. Die anderen sechs werden die Sonne nur in regelmäßigen Abständen sehen, was den Forschern helfen wird, festzustellen, wie stark sich die Sensoren während der Belichtung verschlechtern.

Ein großer Vorteil dieser Technologie gegenüber früheren Techniken besteht darin, dass einem Satelliten problemlos weitere Sensoren hinzugefügt werden können. Kleine, kostengünstige Detektoren ermöglichen es Wissenschaftlern, sie in großen Mengen zu verwenden, was durch Redundanz die Genauigkeit der Messungen erhöhen könnte.

Und obwohl es sich um ein Proof-of-Concept-Experiment handelt, könnten die Daten des CTIM dennoch gut genug sein, damit Wissenschaftler sie nutzen können. Dies geschah mit ähnlichen Detektoren, die das NIST vor einigen Jahren zur Überwachung der spektralen Strahlungsintensität der Sonne (d. h. der bei jeder Wellenlänge abgestrahlten Energiemenge) gebaut hat. Das Gerät mit dem Namen Compact Spectral Irradiance Monitor (CSIM) war ebenfalls eine Zusammenarbeit mit LASP.

„CSIM war auch ein Proof-of-Concept“, sagte Lehman. „Aber wie sich bei CSIM herausstellte, erhielten wir Daten aus fast zwei Jahren. Und diese Daten waren gut genug, um es Wissenschaftlern zu ermöglichen, einen Standard neu zu definieren. Wir hoffen also, dass dieses Experiment auch zu dieser Geschichte beitragen wird.“

Bereitgestellt vom National Institute of Standards and Technology