在芯片上测量来自太空的阳光

不同角度的 CTIM 探测器。 连接到底部正面的金属架不是设备的一部分。 信用:蒂姆赫利克森,LASP

40 年来,人们一直在使用基于太空的传感器来测量来自太阳的光量,这让科学家们能够深入了解地球上的气候变化。

为地球气候系统提供动力的大部分能量来自阳光。 因此,如果科学家测量从太阳撞击地球的能量,并测量离开地球的能量,那么他们就可以确定留下多少能量。

科学家测量从太空到达地球的阳光。 他们正在测量的量——称为“总太阳辐照度”(TSI)——包括来自太阳的所有不同波长的光的所有能量,从紫外线到可见光再到红外线。

然而,目前用于监控 TSI 的设备的构建和启动成本相对较高。 这使科学家保持连续、不间断测量的能力面临风险,他们需要这种能力才能准确评估 TSI 随时间的变化。

现在,美国国家标准与技术研究院 (NIST) 与大气与空间物理实验室 (LASP) 合作开发的新技术使制造和发射更轻、更便宜的设备成为可能。目前用于 TSI 测量的类似仪器。 该仪器称为紧凑型总辐照度监测器 (CTIM),是一种集成在芯片中的辐射计,并在称为 CubeSat 的标准化微型卫星上发射到太空。

基于 NIST 芯片的 CTIM 应该为研究人员提供高精度(不确定性仅为 0.015%)和稳定性(漂移——测量值随时间的变化——每年小于 0.001%)。


包含 NIST 芯片级辐射计和其他硬件的整个 CTIM 设备大约有鞋盒那么大。 八个孔(每侧四个)是卫星上八个辐射计的开口。 信用:蒂姆赫利克森,LASP

这与目前用于测量阳光的辐照度监视器相当。 然而,新传感器的制造成本只有十分之一,这还不包括将更小的探测器发射到太空所节省的成本。

“这颗卫星是在几年内构思、建造、测试和发射的,而前身则需要 20 年,”NIST 的约翰雷曼说。 “我们认为这是一个巨大的技术成功。没有商业探测器可以做到这一点。”

原型探测器于今年夏天推出,将收集两年的数据。

“在这一点上,自 CTIM CubeSat 开始进行测量以来,主要探测器已经经历了 100 多个小时的直接太阳照射,”科罗拉多大学博尔德分校的高级研究员兼 CTIM 首席研究员 Dave Harber 说。 “CTIM 团队目前正在完成对迄今为止采集的数据的分析,但初步分析表明,该仪器,特别是 NIST 制造的探测器,总体上表现出出色的在轨性能。”

新型纳米管

旧的和新的 TSI 测量都是用测辐射热计完成的——测辐射热计测量来自其产生的热量的入射光辐射。 来自太阳的光照射辐射热计,辐射热计吸收一系列波长的光能。 吸收的能量加热温度计。

在芯片上测量来自太空的阳光
由 NIST 设计和制造的 CTIM 辐射计之一。 中心的黑色圆圈是吸收阳光能量的碳纳米管补丁。 学分:内森汤姆林/NIST

但这种热量不是直接测量的。 相反,这些设备通常使用电替代原理。 内置加热器可将温度计的温度升高一定的任意量。 然后百叶窗打开,露出阳光。 来自太阳的光辐射加热温度计,反馈机制使加热器后退,以保持温度恒定。 加热器的功率降低多少可以告诉您吸收了多少来自太阳的光功率来加热设备。

目前使用的 TSI 设备——连接到国际空间站——被称为总和光谱太阳辐照度传感器 (TSIS)。 它相对又重又大,几乎有宿舍冰箱那么大,送去太空的成本更高。

相比之下,新的 NIST-LASP TSI 仪器总共只有鞋盒大小。 它使用微型芯片级设备收集太阳能,每个设备大约有一美元硬币大小,具有由垂直排列的碳纳米管 (CNT) 制成的超吸收性材料。 这些 CNT 基本上吸收所有可见光以及紫外 (UV) 和红外 (IR) 范围内的大部分光。

“即使在红外线中,它也相对较黑,”雷曼说。 “没有其他东西是这样的。我们可以让它足够厚以吸收这些长波长,而且它仍然能够将吸收的辐射转移到探测器中。”

定制的基于芯片的碳纳米管是几年前开发的。 但是创建完整的基于芯片的辐射热计,包括温度计、加热器和其他部件,需要数年时间。 设备原型由 NIST 的 Nathan Tomlin 手工打造。

“我们真正取得进步的是我们正在制造完整的探测器,”雷曼说。 “一切都集成到这个芯片中。它是一个多功能探测器,上面恰好有非常复杂的纳米管。这些不是 1990 年代早期、令人兴奋的日子里的纳米管。”

在芯片上测量来自太空的阳光
科学家们已经对碳纳米管的制造进行了精确的控制,碳纳米管可以创造出人类制造的最黑的材料。 在这里,碳纳米管被制造在一个表面上,拼写为“50 um”(50 微米,百万分之一米)。 这里每个数字和字母上的线条只有 50 微米厚。 学分:克里斯·杨/NIST

以前没有人去过的地方

在 CubeSat 中的八个基于芯片的设备中,实际上只有两个会连续测量太阳光。 其他六个将仅定期看到太阳,这将帮助研究人员确定传感器在曝光期间的退化程度。

向卫星添加更多传感器的便利性是该技术相对于以前技术的主要优势。 小型、廉价的探测器允许科学家批量使用它们,这可以通过允许冗余来提高测量的准确性。

尽管这是一个概念验证实验,但来自 CTIM 的数据可能仍然足以供科学家使用。 这就是几年前 NIST 为监测太阳光谱辐照度(即每个波长辐射的能量)而建造的类似探测器所发生的情况。 该设备名为紧凑型光谱辐照度监测器 (CSIM),也是与 LASP 的合作项目。

“CSIM 也是概念验证,”雷曼说。 “但正如 CSIM 所证明的那样,我们获得了近两年的数据。这些数据足以让科学家重新定义一个标准。因此,我们希望这个实验也能为这个故事做出贡献。”