Medición de la luz solar desde el espacio, en un chip

7 de noviembre de 2022

por Jennifer Lauren Lee, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología

Durante 40 años, las personas han utilizado sensores espaciales para medir la cantidad de luz que proviene del sol, lo que brinda a los científicos información sobre el cambio climático en la Tierra.

La mayor parte de la energía que alimenta el sistema climático de la Tierra proviene de la luz solar. Entonces, si los científicos miden la energía que llega a la Tierra desde el sol, y también miden la energía que sale de la Tierra, entonces pueden determinar cuánta energía queda atrás.

Los científicos miden la luz solar que llega a la Tierra desde el espacio. La cantidad que están midiendo, llamada "irradiación solar total" (TSI), incluye toda la energía de todas las diferentes longitudes de onda de la luz que sale del sol, desde el ultravioleta hasta el visible y el infrarrojo.

Sin embargo, los dispositivos que se utilizan actualmente para monitorear el TSI son comparativamente costosos de construir y lanzar. Esto pone en riesgo la capacidad de los científicos para mantener una medición continua e ininterrumpida, que necesitan para evaluar con precisión los cambios en el TSI a lo largo del tiempo.

Ahora, una nueva tecnología desarrollada por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), en coordinación con el Laboratorio de Física Atmosférica y Espacial (LASP), ha hecho posible construir y lanzar un dispositivo más liviano y económico que es tan preciso como un instrumento comparable que se utiliza actualmente para las mediciones de TSI. Llamado Monitor Compacto de Irradiación Total (CTIM), el instrumento es un tipo de medidor de radiación integrado en un chip y lanzado al espacio en un satélite en miniatura estandarizado llamado CubeSat.

El CTIM basado en chips del NIST debería proporcionar a los investigadores una alta precisión (con incertidumbres de solo el 0,015 %) y estabilidad (con una deriva, un cambio en los valores medidos a lo largo del tiempo, de menos del 0,001 % por año).

Esto es comparable al monitor de irradiación actualmente en uso para medir la luz solar. Sin embargo, el nuevo sensor cuesta una décima parte del costo de construcción, y eso no incluye los ahorros de lanzar un detector mucho más pequeño al espacio.

"Este satélite fue concebido, construido, probado y lanzado en unos pocos años, mientras que el predecesor tomó 20 años", dijo John Lehman del NIST. "Consideramos que es un gran éxito técnico. No hay detectores comerciales que puedan hacer esto".

El detector prototipo se lanzó este verano y recopilará datos durante dos años.

"En este punto, los detectores primarios han experimentado más de 100 horas de exposición solar directa desde que CTIM CubeSat comenzó a tomar medidas", dice Dave Harber, investigador principal de la Universidad de Colorado, Boulder, LASP e investigador principal de CTIM. "El equipo de CTIM actualmente está finalizando el análisis de los datos tomados hasta el momento, pero el análisis inicial muestra que el instrumento en general, y los detectores fabricados por el NIST en particular, exhiben un excelente rendimiento en órbita".

Tanto las mediciones TSI antiguas como las nuevas se realizan con bolómetros, detectores que miden la radiación óptica entrante a partir del calor que produce. La luz del sol incide en el bolómetro, que absorbe la energía óptica de un rango de longitudes de onda. La energía absorbida calienta un termómetro.

Pero este calor no se mide directamente. En cambio, estos dispositivos suelen utilizar el principio de sustitución eléctrica. Un calentador incorporado eleva la temperatura del termómetro en una cierta cantidad arbitraria. Luego se abre una persiana para revelar la luz del sol. La radiación óptica del sol calienta el termómetro y un mecanismo de retroalimentación hace que el calentador retroceda para mantener la temperatura constante. La disminución de la potencia del calentador indica la cantidad de potencia óptica del sol que se absorbió para calentar el dispositivo.

El dispositivo TSI actualmente en uso, adjunto a la Estación Espacial Internacional, se llama Sensor de Irradiación Solar Total y Espectral (TSIS). Es relativamente pesado y grande, casi del tamaño de un refrigerador de dormitorio, lo que hace que sea más costoso enviarlo al espacio.

Por el contrario, el nuevo instrumento NIST-LASP TSI es, en total, del tamaño de una caja de zapatos. Recolecta energía solar con diminutos dispositivos a escala de chip, cada uno del tamaño de una moneda de un dólar, con un material ultraabsorbente hecho de nanotubos de carbono (CNT) alineados verticalmente. Estos CNT absorben esencialmente toda la luz visible, así como la mayoría de la luz en los rangos ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR).

"Es relativamente negro incluso en el infrarrojo", dijo Lehman. "Nada más es así. Podemos hacerlo lo suficientemente grueso como para absorber estas longitudes de onda largas, y aún así puede transferir esa radiación absorbida al detector".

Los CNT personalizados basados ​​en chips se desarrollaron hace varios años. Pero crear el bolómetro completo basado en chips, con el termómetro, el calentador y otras partes, tomó años por sí solo. Los prototipos de dispositivos fueron construidos a mano por Nathan Tomlin del NIST.

"Lo que realmente hemos avanzado es que estamos fabricando detectores completos", dijo Lehman. "Todo está integrado en este chip. Es un detector multifuncional que tiene nanotubos realmente sofisticados. Estos no son los nanotubos de aquellos primeros y embriagadores días de la década de 1990".

De los ocho dispositivos basados ​​en chips del CubeSat, solo dos medirán la luz solar de forma continua. Los otros seis verán el sol solo periódicamente, lo que ayudará a los investigadores a determinar cuánto se degradan los sensores durante la exposición.

La facilidad de agregar más sensores a un satélite es una gran ventaja de esta tecnología sobre las técnicas anteriores. Los detectores pequeños y económicos permiten que los científicos los usen a granel, lo que podría aumentar la precisión de las mediciones al permitir la redundancia.

Y aunque es un experimento de prueba de concepto, los datos del CTIM podrían ser lo suficientemente buenos para que los utilicen los científicos. Eso es lo que sucedió con detectores similares construidos por el NIST hace algunos años para monitorear la radiación espectral del sol (es decir, la cantidad de energía radiada en cada longitud de onda). El dispositivo, llamado Compact Spectral Irradiance Monitor (CSIM), también fue una colaboración con LASP.

"CSIM también fue una prueba de concepto", dijo Lehman. "Pero resultó que con CSIM, obtuvimos datos de casi dos años. Y esos datos fueron lo suficientemente buenos como para permitir a los científicos redefinir un estándar. Por lo tanto, tenemos la esperanza de que este experimento también contribuya a esa historia".

Proporcionado por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología