Die energiereichen Elektronen, die die Aurora Borealis (das Nordlicht) antreiben, haben eine reichhaltige und sehr dynamische Struktur, die wir derzeit nicht vollständig verstehen. Vieles von dem, was wir über diese Elektronen wissen, stammt von Instrumenten, deren Fähigkeit, mehrere Energien mit hoher Zeitauflösung abzutasten, grundlegende Einschränkungen aufweist.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, nutzt die NASA einen innovativen Ansatz zur Entwicklung von Instrumenten, die unsere Messmöglichkeiten um mehr als eine Größenordnung verbessern und eine Fülle neuer Informationen über die erstaunliche Physik im Polarlicht ans Licht bringen.
Typische Elektroneninstrumente basieren auf einer Technik namens elektrostatische Ablenkung, bei der eine Spannung geändert werden muss, um unterschiedliche Energien der zu messenden Elektronen auszuwählen. Diese Instrumente wurden auf vielen verschiedenen Weltraummissionen geflogen und lieferten fast alle In-situ-Elektronenmessungen im Polarlicht.
Sie eignen sich hervorragend für Beobachtungen auf Zeitskalen von Sekunden oder sogar bis zu einer Zehntelsekunde, können aber aufgrund der Zeit, die zum Durchlaufen von Spannungen benötigt wird, grundsätzlich nicht auf kürzere Zeitskalen (Millisekunden) beobachten.
Bodengestützte optische Beobachtungen der Polarlichter haben gezeigt, dass es zu schnellen räumlichen und zeitlichen Schwankungen kommen kann, die über die Beobachtungsmöglichkeiten herkömmlicher Elektroneninstrumente hinausgehen. Daher haben Mitglieder des Geophysiklabors am Goddard Space Flight Center der NASA ein Instrument namens Acute Precipitating Electron Spectrometer (APES) entwickelt, das den Elektronenniederschlag innerhalb der Aurora mit einer Taktfrequenz von einer Millisekunde messen kann.
APES nutzt ein starkes Magnetfeld im Inneren des Instruments, um Elektronen mit unterschiedlichen Energien auf verschiedene räumliche Bereiche des Detektors aufzuteilen. Mit dieser Methode kann das Instrument das gesamte Elektronenenergiespektrum gleichzeitig mit einer sehr hohen Rate (alle 1 ms) messen.
Beim Design von APES musste ein großer Kompromiss eingegangen werden. Damit die Magnetfeldgeometrie ordnungsgemäß funktioniert, kann das Instrument nur in eine Richtung beobachten. Dieses Konzept funktioniert gut, wenn das Ziel lediglich darin besteht, die ausfallenden (absteigenden) Elektronen im Polarlicht zu messen, die letztendlich die Atmosphäre treffen. Wir wissen jedoch, dass sich Elektronen im Polarlicht auch in andere Richtungen bewegen; Tatsächlich enthalten diese Elektronen viele Informationen über andere physikalische Prozesse, die weiter draußen im Weltraum ablaufen.
Um die Messung von Elektronen in mehr als einer Richtung zu ermöglichen, entwickelte das Goddard-Team das Instrumentenkonzept APES-360. Um das APES-360-Design zu erstellen, verwendete das Team die gleichen Funktionsprinzipien wie bei APES, aktualisierte sie jedoch, um eine Multi-Look-Richtungsgeometrie zu ermöglichen, die ein 360-Grad-Sichtfeld mit 16 verschiedenen Sektoren abdeckt.
Das Team musste mehrere technische Herausforderungen bewältigen, um das APES-360-Konzept zu entwickeln. Insbesondere musste das Elektronikdesign viel mehr Anoden (Ladungserkennungsflächen) und die dazugehörigen Schaltkreise auf kleinem Raum unterbringen.
Der APES-360-Prototyp, der derzeit gebaut wird, wird in Goddard getestet und kalibriert und wird im Winter 2025 mit einer Höhenforschungsrakete in das aktive Polarlicht fliegen. Dieser Flug wird reale Daten aus dem Inneren des Polarlichts liefern, die gewohnt sind Validieren Sie die Geräteleistung und informieren Sie über zukünftige Designverbesserungen.
Das APES-360-Instrument ist so konzipiert, dass es in einen CubeSat-Formfaktor passt, sodass es bei zukünftigen CubeSat-Missionen zur Untersuchung des Polarlichts verwendet werden kann. Das Instrument könnte letztendlich auch auf größeren Orbitalmissionen geflogen werden.