Tager nær-jordens rumforskning til næste niveau med arktiske fasede array-radarer

Med det hidtil usete løfte, som den EU-støttede EISCAT3D radarinfrastruktur holder til undersøgelse af nær-jordens rumfænomener, systemets nøjagtighed og effektivitet er altafgørende. Det nyligt lukkede EISCAT3D_PfP-projekt demonstrerede med succes initiativets levedygtighed, lancere det i implementeringsfasen.

EISCAT3D leverer en kraftfuld ny forskningsinfrastruktur, bruge radarobservationer til at udforske, hvordan Jordens atmosfære er koblet til rummet omkring planeten, samt give bredere støtte til solsystem- og radioastronomividenskab. Ved hjælp af alsidig computerteknologi, det vil også hjælpe nye forskningsområder, såsom mikrometeormålinger og asteroidebilleddannelse.

Projektets nyligt afsluttede implementeringsfase, døbt EISCAT3D_PfP, har etableret den nødvendige tilgang til, at EISCAT3D kan udarbejde sin detaljerede, tredimensionelle målinger af den ioniserede del af toppen af ​​atmosfæren.

Placeringen af ​​EISCAT3D-værktøjet er under et område, hvor koblingen mellem atmosfæren og rummet er mest direkte og dynamisk, den natlige nordlyszone i Fenno-Skandinavisk Arktis. Som projektkoordinator Dr. Craig Heinselman forklarer, "Når vi ser nordlyset eller måler det med optiske instrumenter, vi ser virkningerne af ladede partikler styret delvist af Jordens magnetfelt, da de afsætter store mængder energi og momentum til toppen af ​​den neutrale atmosfære. Selvom dette er imponerende at se, det er kun en del af historien, fordi der også går energi til at ionisere atmosfæren."

EISCAT3D vil give forskerne mulighed for at se resultaterne af denne atmosfæriske ionisering og bruge ionerne og elektronerne som sporstoffer, der angiver de processer, der driver den, såsom elektriske felter. Det er håbet, at det at følge fænomenerne, mens det udfolder sig, vil føre til en bedre forståelse af, hvor energien går hen, hvordan det interagerer med det større system, og hvilken indflydelse det har.

Projektet er designet med fasede array-radarer. Ændring af radarelektronikken til både transmission og modtagelse, resulterer i, at de skifter retning meget hurtigt. Hvis nødvendigt, dens design gør det muligt at se i en anden retning hver 1/1000. af et sekund. Dette står i kontrast til de mere typiske parabolformede radarer, som kun er i stand til at se i forskellige retninger ved at bruge store kraftige elektriske motorer til at flytte deres tunge antennehardware.

Derudover to af EISCAT3D-antennerne vil kun kunne modtages, hvilket betyder, at såvel som at følge den hurtige bevægelse af senderstrålen, de vil kunne se i 100 forskellige retninger på samme tid. Dette sætter dem i stand til samtidigt at se de transmitterede signaler i alle højder, ikke kun i en enkelt højde, som det er tilfældet med nogle nuværende operativsystemer.

En stor udfordring, som EISCAT3D_PfP-projektet var i stand til at overvinde, var at kunne udvikle et system med tilstrækkelig computerkapacitet til at opfylde designopgaven. Som Dr. Heinselman husker, "Da designundersøgelsen blev udført, var det simpelthen ikke overkommeligt at levere 100 samtidige smalle stråler på modtagelsen, så det oprindelige design understøttede kun syv. Heldigvis, fremskridt især inden for feltprogrammerbar gate array-teknologi, gjorde de 100 bjælker praktiske og overkommelige."

I betragtning af nøjagtigheden af ​​de krævede målinger, en anden udfordring var at bygge et system, hvis interne computerure ikke ville generere støj, som kunne overvælde de signaler, det søger at måle. En ekstremt indviklet opgave i betragtning af, at radarens modtagende signaler, når de kombineres, er ca. 20 størrelsesordener (0,0000000000000000001 %) mindre end det transmitterede signal. At nå dette projektmål krævede ikke kun omhyggeligt design, men også omfattende test fra projektteamets side.

EISCAT3D_PfP har nu demonstreret gennemførligheden af ​​EISCAT3D-projektmålene og lanceret det i implementeringsfasen. EISCAT3Ds systemer forventes at være tilgængelige for forskere ved udgangen af ​​2021.

Dr. Heinselman ser på fremtiden siger, "Da EISCAT3D er et videnskabeligt instrument til forskning, er det svært at sige definitivt, hvor arbejdet vil føre hen, men et meget lovende område er det videnskabelige grundlag, der forudsiger rumvejreffekter. Disse effekter har, og vil helt sikkert fortsat have, en voksende indvirkning på et samfund, der i stigende grad er afhængig af rumbaserede teknologier."