Det händer alltid en soluppgång och en solnedgång någonstans på vår planet. Snart kommer ESA:s nyaste CubeSat – som flyger ombord på Europas Vega-raket på fredag ​​– att hålla vakt. Miniatyruppdraget PICASSO kommer att använda filtrering av solljus av jordens atmosfär för att kontrollera hälsan hos vårt skyddande ozonskikt.

CubeSats är miniatyrsatelliter byggda av standardiserade 10-cm lådor. PICo-satelliten för atmosfäriska och rymdvetenskapliga observationer, eller PICASSO, utvecklad för ESA av Belgian Institute for Space Aeronomy (BISA), är en "3-enhets" CubeSat med två vetenskapliga nyttolaster. Den är värd för en nedskärningsspektrometer för att övervaka atmosfären, samt provtagningssonder (kallade 'SLP') för att mäta rymdplasma runt nanosatelliten.

"PICASSO är ett experiment, i grund och botten, " förklarar projektforskaren Didier Fussen, chef för solstrålningsavdelningen på BISA. "Kan ett instrument som ger giltiga vetenskapliga mätningar av ozonskiktet, vilket är en viktig parameter för livets hälsa på jorden, få plats på en plattform lika stor som en skokartong?

"Svaret visar sig vara ja. För att få det att hända har vi arbetat med våra partners AAC Clyde Space i Skottland som konstruerade vår CubeSat, och VTT Finland som försett oss med en lämpligt nedskalad spektrometer.

"Under tiden bidrog BISA-kollegor med en kvartett hemmagjorda Langmuir-sonder för att dra nytta av denna flygmöjlighet. Sträcker sig från nanosatellitens solpaneler, dessa 'SLP'-sonder kommer att prova variationer i rymdplasma över PICASSO:s omloppsbana, öppnar ett nytt fönster om rymdväder.

"De andra väsentliga delarna som möjliggör uppdraget har varit ekonomiskt stöd från BELSPO, Belgiens byrå för vetenskapspolitik, UK Space Agency och Belgian National Lottery, samt det tekniska stödet från ESA:CubeSats är små i skala, och använd kommersiella hylldelar för att öka överkomligheten, men för vetenskapliga ändamål börjar deras övergripande komplexitet närma sig den för ett uppdrag i standardstorlek."

Något i luften

Fokuserad på studiet av den övre atmosfären, BISA har bidragit med instrument till många andra satelliter genom åren, i synnerhet genom att föreslå det kommande ESA Earth Watch-uppdraget Altius som kommer att övervaka ozonskiktet och den övre atmosfären över ett mycket bredare spektralband, men PICASSO är institutets första CubeSat-uppdrag.

Drivkraften för global ozonövervakning från rymdburna instrument går tillbaka till mitten av 1980-talet, och chockupptäckten av ett hål i ozonskiktet av antarktiska forskare, bekräftas därefter av satellitdata. Upptäckten att ozonskiktet urholkas av mänskliga gaser var dåliga nyheter eftersom det spelar en avgörande roll för att skydda liv från skadlig ultraviolett strålning.

Som reaktion, parallellt med det internationella förbudet mot de "klorfluorkolväte"-gaser som är ansvariga, en ny generation av ozonövervakningsinstrument designades och lanserades, många av dem bidrog BISA till. Till exempel, Enbart ESA:s 2002 uppskjutna miljösatellit Envisat bar tre sådana atmosfäriska ekolod.

"Resultatet var något av en guldålder för ozonövervakning med en bra vertikal upplösning, " tillägger Dr Fussen, "men detta går nu mot sitt slut eftersom de flesta uppdrag når slutet av sina liv. Så PICASSO kommer att fungera som en demonstration av kapaciteten hos små satelliter att utföra övervakning av atmosfärens sammansättning.

"Nuvarande trender tyder på att ozonhålet gradvis stabiliseras eller återhämtas, men vi kan inte bara hoppas på det bästa, " säger Didier. "Atmosfärisk dynamik har en stor naturlig variation från år till år, vilket kräver kontinuerlig observation."

PICASSOs spektrometer arbetar på basis av solockultationsmetoden, en sofistikerad version av "spot the difference". Den jämför de spektrala signaturerna av solljus som sken genom atmosfären med solljus som kommer direkt genom rymden för att utföra vertikal kartläggning av ozonkoncentrationsprofiler.

Att observera soluppgångar och solnedgångar två gånger per omloppsbana, CubeSat kommer också att försöka en experimentell metod för att ta temperaturen i den övre atmosfären. Didier förklarar:"När vi avbildar solskivan, vi kommer att mäta hur den har komprimerats av linseffekten av atmosfärisk refraktion, gör den mindre och mindre cirkulär. Från denna "vinkelstorleksvariation" är det möjligt att beräkna luftens densitet på hög höjd, och från det härleda dess temperatur."

Vegas dispenser för Small Spacecraft Mission Service (SSMS) ger uppskjutningsmöjligheter för flera ljussatelliter med en total massa som sträcker sig från 0,2 kg CubeSats upp till 400 kg minisatelliter.

SSMS har en lätt modulär design som består av en nedre och övre del vardera med tillbehör som kan användas för att rymma en rad konfigurationer av satelliter beroende på behov.