NASA-ingeniører skubber fysikkens grænser for at fokusere lyset

Et par små, præcisionskredsende små satellitter vil forsøge at fange de første visninger nogensinde af småskala træk nær solens overflade, som forskerne mener driver opvarmningen og accelerationen af ​​solvinden.

Heliofysiker Dr. Doug Rabin ved NASA's Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, sagde fotonsigter, en teknologi, der kan fokusere ekstremt ultraviolet lys, burde være i stand til at opløse træk 10 til 50 gange mindre end hvad der kan ses i dag med Solar Dynamics Observatoriets EUV-imager.

For at være mest effektive skal de dog være brede, supertynde og ætset med præcise huller for at bryde lyset. Goddards ingeniør Kevin Denis arbejdede i Goddards Detector Development Laboratory og udviklede nye måder at skabe bredere og tyndere membraner fra wafers af silicium og niobium.

Hver fremgang hidtil har krævet yderligere trin for at beskytte de resulterende sigter, såsom at efterlade en honeycomb af tykkere materiale for at understøtte membranen og forhindre rivning. "Det er en ren og skær fysisk udfordring at konstruere sigter med en sådan præcision," sagde Goddard Heliophysicist Dr. Doug Rabin. "Deres mindste funktioner er en 2-mikrons tværs med et 2-mikrons mellemrum mellem perforeringerne, det er omtrent på størrelse med de fleste bakterier."

Ætset fra midten med stadig mindre ringe af huller, er sigter bygget til at bryde lys på samme måde som Fresnel-linser, der bruges i fyrtårne. Ekstremt ultraviolet lys, der passerer gennem denne sigte, bøjes gradvist indad til et fjernt kamera. Tynde membraner betyder noget for solvidenskaben, fordi disse sigter transmitterer mere lys end tykkere materialer, sagde Denis.

Han og kollega ingeniør Kelly Johnson producerede med succes en 3-tommer (8 cm) diameter silicium sigte, kun 100 nanometer tyk. Nu eksperimenterer de med niobiummembraner, som yderligere kan forbedre lysindsamlingseffektiviteten, fordi de transmitterer op til syv gange mere lys end silicium. De har med succes ætset en 5-tommer (13 cm) diameter niobium sigte kun 200 nanometer tyk.

Denis henter inspiration fra at arbejde tæt sammen med forskere for at overvinde barrierer for at fremme deres felt, sagde han. "De har gjort et fantastisk stykke arbejde ved at bruge soldene i kortsigtede videnskabelige applikationer, mens vi presser teknologien til større og mere dygtige missioner."

Fotonsigter skåret af materialer så tykke som 25 mikron er allerede en del af teknologidemonstrationen VISORS—Virtual Super Optics Reconfigurable Swarm—CubeSat-mission, der forventes at blive opsendt i 2024. VISORS består af én kompakt satellit på størrelse med en dokumentmappe udstyret med sigter til bryde lys på en modtager på en anden satellit 130 fod (40 m) væk.

Vedligeholdelse af disse rumfartøjers højpræcisionsbane og udvikling af et solsejl er fokus for andre Goddard IRAD-projekter. VISORs succes kan bane vejen for en større fremtidig mission, med rumfartøjsadskillelse målt i kilometer, der anvender den større opløsning af Denis' tyndere sigter, når de er klar til rumflyvning. En anden større fotonsigte vil blive brugt til at kalibrere MUSE—Multi-slit Solar Explorer—spektrometeret, der forventes at blive lanceret i 2027.

Denis' arbejde blev fremhævet i Physics Today , og har allerede resulteret i to patenter, med et tredje indsendt. Goddards chefteknolog Peter Hughes tildelte Denis prisen FY23 IRAD Innovator of the Year under programmets årlige plakatsession, der blev afholdt den 15. november.

Mens han fortsætter med at skubbe grænserne for teknik, sagde Denis, at han ser frem til lanceringen af ​​MUSE og VISORS. "Det er en stor motivation at se, hvordan de vil blive brugt til ny videnskab, selvom vi fortsætter med at forbedre os."

Flere oplysninger: Holly Gilbert, Advances in solar telescopes, Physics Today (2023). DOI:10.1063/PT.3.5292

Journaloplysninger: Fysik i dag

Leveret af NASA's Goddard Space Flight Center