Ein Paar präzise umlaufender Kleinsatelliten wird versuchen, die ersten Bilder von kleinen Strukturen in der Nähe der Sonnenoberfläche einzufangen, von denen Wissenschaftler glauben, dass sie die Erwärmung und Beschleunigung des Sonnenwinds antreiben.
Der Heliophysiker Dr. Doug Rabin vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, sagte, Photonensiebe, eine Technologie, die extremes ultraviolettes Licht fokussieren kann, sollten in der Lage sein, Strukturen aufzulösen, die 10 bis 50 Mal kleiner sind als das, was man heute mit Solar Dynamics sehen kann EUV-Imager des Observatoriums.
Um jedoch möglichst effektiv zu sein, müssen sie breit, superdünn und mit präzisen Löchern versehen sein, um das Licht zu brechen. Der Goddard-Ingenieur Kevin Denis arbeitete im Detektorentwicklungslabor von Goddard und entwickelte neue Methoden zur Herstellung breiterer und dünnerer Membranen aus Wafern aus Silizium und Niob.
Jeder bisherige Fortschritt erforderte zusätzliche Schritte zum Schutz der resultierenden Siebe, beispielsweise das Belassen einer Wabe aus dickerem Material, um die Membran zu stützen und ein Reißen zu verhindern. „Es ist eine reine physikalische Herausforderung, Siebe mit solch einer Präzision zu konstruieren“, sagte der Goddard-Heliophysiker Dr. Doug Rabin. „Ihre kleinsten Merkmale haben einen Durchmesser von 2 Mikrometern und einen Abstand von 2 Mikrometern zwischen den Perforationen, das ist ungefähr die Größe der meisten Bakterien.“
Siebe sind von der Mitte aus mit immer kleineren Lochringen versehen und so konstruiert, dass sie das Licht brechen, ähnlich wie Fresnel-Linsen, die in Leuchttürmen verwendet werden. Extrem ultraviolettes Licht, das dieses Sieb passiert, wird allmählich nach innen zu einer entfernten Kamera gebogen. Dünne Membranen seien für die Solarwissenschaft wichtig, weil diese Siebe mehr Licht durchlassen als dickere Materialien, sagte Denis.
Er und seine Ingenieurskollegin Kelly Johnson stellten erfolgreich ein Siliziumsieb mit einem Durchmesser von 3 Zoll (8 cm) und einer Dicke von nur 100 Nanometern her. Jetzt experimentieren sie mit Niob-Membranen, die die Lichtsammeleffizienz weiter verbessern können, da sie bis zu siebenmal mehr Licht durchlassen als Silizium. Sie haben erfolgreich ein Niobsieb mit einem Durchmesser von 5 Zoll (13 cm) und einer Dicke von nur 200 Nanometern geätzt.
Denis lässt sich von der engen Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern inspirieren, um Hindernisse für die Weiterentwicklung ihres Fachgebiets zu überwinden, sagte er. „Sie haben beim Einsatz der Siebe in kurzfristigen wissenschaftlichen Anwendungen großartige Arbeit geleistet, während wir die Technologie für größere und leistungsfähigere Missionen vorantreiben.“
Aus Materialien mit einer Dicke von bis zu 25 Mikrometern geschnittene Photonensiebe sind bereits Teil der Technologiedemonstrationsmission VISORS – Virtual Super Optics Reconfigurable Swarm – CubeSat, deren Start für 2024 geplant ist. VISORS besteht aus einem kompakten Satelliten von der Größe einer Aktentasche, der mit Sieben ausgestattet ist Brechen Sie das Licht auf einen Empfänger auf einem zweiten Satelliten in einer Entfernung von 130 Fuß (40 m).
Die Aufrechterhaltung der hochpräzisen Umlaufbahn dieser Raumfahrzeuge und die Entwicklung eines Sonnenschutzes stehen im Mittelpunkt anderer Goddard IRAD-Projekte. Der Erfolg von VISOR könnte den Weg für eine größere zukünftige Mission ebnen, bei der der Abstand der Raumfahrzeuge in Kilometern gemessen wird und die höhere Auflösung der dünneren Siebe von Denis genutzt wird, sobald sie für den Weltraumflug bereit sind. Ein weiteres größeres Photonensieb wird zur Kalibrierung des MUSE-Spektrometers (Multi-slit Solar Explorer) verwendet, das voraussichtlich 2027 auf den Markt kommt.
Die Arbeit von Denis wurde hervorgehoben Physik heute, und hat bereits zu zwei Patenten geführt, von denen ein drittes eingereicht wurde. Der Cheftechnologe von Goddard, Peter Hughes, verlieh Denis während der jährlichen Postersitzung des Programms am 15. November den FY23 IRAD Innovator of the Year Award.
Während er weiterhin die Grenzen der Technik ausreizt, freut sich Denis auf die Markteinführungen von MUSE und VISORS. „Es ist eine große Motivation zu sehen, wie sie für neue wissenschaftliche Zwecke genutzt werden, auch wenn wir uns weiter verbessern.“
Mehr Informationen:
Holly Gilbert, Fortschritte bei Sonnenteleskopen, Physik heute (2023). DOI: 10.1063/PT.3.5292