Forskere løser store begrænsninger af stratosfærisk ballon nyttelast

Næsten alle fotoner udsendt efter Big Bang er nu kun synlige ved langt infrarøde bølgelængder. Dette inkluderer lys fra det kolde univers af gas og støv, hvorfra stjerner og planeter dannes, samt svage signaler fra fjerne galakser, der sporer universets udvikling til i dag.

Jordens atmosfære blokerer det meste af dette lys, og rummissioner er en ideel, men uoverkommelig dyr måde at udforske det på. Så videnskabsmænd henvender sig til enorme stratosfæriske balloner - på størrelse med et helt fodboldstadion - fordi de er en lille brøkdel af prisen.

I Gennemgang af videnskabelige instrumenter , Alan J. Kogut, af NASAs Goddard Space Flight Center, og kolleger fandt en måde at løse en bredt anerkendt begrænsning af stratosfærisk ballon nyttelast, som flyver i højder af 130, 000 fod over 99% af atmosfæren.

"For virkelig at kigge ind i det kolde univers, du har brug for et stort teleskop afkølet til næsten det absolutte nulpunkt, flyver over jordens atmosfære, " sagde Kogut. "I det store hele, Jeg mener et teleskopspejl på størrelse med en stue. Hvorfor så koldt? Varme fra teleskopet kan udslette billeder fra det dybe rum, som at overeksponere et kamera. For at se svage kolde signaler fra det dybe rum, teleskopet skal afkøles til 10 K (minus 440 F), kun et par grader over det absolutte nulpunkt."

Det lyder måske simpelt i teorien, men det er ret svært at afkøle et teleskop på størrelse med en stue til næsten det absolutte nulpunkt, mens det flyver det fra en ballon.

"Flydende helium kan nemt afkøle teleskopet, men at holde det koldt betyder at sætte hele teleskopet i en kæmpe termokande kaldet en dewar, " sagde han. "En termokandeflaske på størrelse med en stue ville veje flere tons - mere end selv de største balloner kan bære."

Det er her, Balloon-borne Cryogenic Telescope Testbed (BOBCAT) kommer ind.

"BOBCAT udvikler teknologi til ultralette dewars for at reducere deres vægt nok til at tillade virkelig store at flyve på en ballon, " sagde Kogut.

Dewars har en indre kop, der holder den kolde væske, omgivet af en ydre skal. Mellemrummet mellem dem har ingen luft i sig, et vakuum, at forhindre luft i at transportere varme fra omverdenen ind i det kolde indre.

En dewar er tung, fordi dens vægge skal holde et vakuum mod lufttrykket ved havoverfladen. Men en dewar, der er beregnet til at arbejde på en ballon, behøver ikke at arbejde ved havoverfladen. Det skal virke ved 130, 000 fod over havets overflade, hvor der næsten ikke er lufttryk.

Forskerne designede en dewar med ekstremt tynde vægge, ikke meget tykkere end en sodavandsdåse, som kan starte ved stuetemperatur. Den har en ventil, så vakuummellemrummet mellem den indvendige kop og den ydre væg udluftes under opstigning for at slippe luft ud.

"Når ballonen når 130, 000 fod, ventilen lukker for at skabe et ordentligt vakuumrum, og det afkøler teleskopet ved at pumpe flydende nitrogen eller flydende helium ind i dewar fra separate lagertanke, " sagde Kogut. "Lagertankene er små og vejer ikke meget. Nu, vi har et koldt teleskop over atmosfæren, i stand til at se svage billeder fra det kolde eller fjerne univers."

Den første flyvning var en succes, og næste trin er at flyve nyttelasten igen med en ultralet dewar.