De har flugit på högprofilerade interplanetära och mer blygsamma uppdrag i låg omloppsbana runt jorden, men i alla fall kommer de allestädes närvarande fluxgate-magnetometrar som forskare använder för att mäta intensiteten av ett magnetfält att försämras med tiden.

En teknolog vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, nu utvecklar en självkalibrerande magnetometer som skulle vara idealisk för att mäta intensiteten och orienteringen av magnetiska linjer från både CubeSat och mer traditionella rymdfarkoster.

Med finansiering från Goddards forskning och utveckling, Todd Bonalsky utvecklar en fungerande prototyp, som han planerar att flyga på ett klingande raketuppdrag som heter Visualizing Ion Outflow via Neutral Atom Sensing-2, eller VISIONS-2, år 2018. VISIONS-2 är designad för att studera utflödet av syrejoner från jordens övre atmosfär och in i magnetosfären.

Prototypen kombinerar två typer av magnetometrar - den mycket exakta fluxgate och den optiskt pumpade atommagnetometern - till ett relativt litet paket som kan användas på uppdrag av konstellationstyp där flera CubeSats används för att samlas samtidigt, flerpunktsobservationer. Denna teknik är särskilt effektiv för att studera jordens ständigt föränderliga, omslutande magnetfält.

"Vi har redan visat att vi kan ta relativt stora, kraftkrävande fluxgate-magnetometrar och krympa ner dem för att flyga på CubeSats, sa Bonalsky, som framgångsrikt miniatyriserade en fluxgate-magnetometer för Dellingr CubeSat-uppdraget (detta kan länka till Dellingr-funktionen som planeras till slutet av juli), som NASA nyligen lanserade. Ett Goddard-team utvecklade medvetet Dellingr för att förbättra tillförlitligheten hos dessa små plattformar.

"Nu, Jag vill införliva vår miniatyriserade fluxgate med en absolut atommagnetometer för att skapa en helt självkalibrerande, miniatyriserad vektormagnetometer för CubeSats och små satelliter, lika. Detta har aldrig gjorts förut, " han sa.

Behov av ett hybridsystem

Behovet av ett allt-i-ett-instrument ligger i de inneboende fördelarna och nackdelarna med båda magnetometrarna, gjort mer utmanande när teknologer försöker att ytterligare krympa storleken på dessa instrument för att passa in i CubeSats, vars enheter mäter bara fyra tum på en sida.

Tillverkad av en kärna, som är mycket känslig för magnetisering, och två trådspolar för att likna en transformator, Fluxgate-magnetometrar har länge varit vetenskapliga arbetshästar på grund av deras övergripande robusta konstruktion och noggrannhet. De fungerar när en växelström, eller AC, passerar genom en spole, kallas det primära, att producera ett alternerande magnetfält som inducerar AC i den andra spolen, kallas sekundär.

Intensiteten och fasen för AC i sekundären mäts konstant. När en förändring sker i det yttre magnetfältet, utgången från sekundärspolen ändras. Omfattningen och fasen av denna förändring kan analyseras för att bestämma intensiteten och orienteringen av magnetfälten i fråga. Följaktligen, enheten mäter inte bara magnetfältet hos ett föremål, men också dess riktning, oavsett om det är norr, söder, öster, eller västerut.

Dock, ständigt föränderliga temperaturer som de som möter i rymden kommer att minska dess prestanda över tiden. Följaktligen, uppdragsplanerare flyger ibland en atommagnetometer, som verkar enligt en annan uppsättning principer, för att bibehålla fluxgates kalibrering.

Först utvecklades för mer än 50 år sedan, atommagnetometrar är gjorda av alkaligaser, såsom rubidium eller cesium, som sänder ut en frekvens som är proportionell mot magnetfältet. Med andra ord, de resonerar bokstavligen – som ett kristallvinglas när dess kant gnuggas – vilket indikerar omfattningen av ett magnetfält.

Atommagnetometrar, tyvärr, är inte ett universalmedel, antingen. Även om det inte är benäget att driva eller försämras, de kan bara mäta fältets storlek, inte dess riktning.

Under hans FoU-finansiering, Bonalsky utvecklar ett självkalibrerande hybridsystem som kombinerar båda mätteknikerna.

För att uppnå detta, han har byggt en ultraliten, "chip-skala" atommagnetometerfilament, som han planerar att installera i sensorspolarna i fluxgate-magnetometern som han utvecklade för Dellingr-uppdraget. Han planerar sedan att testa enheten vid Goddards uppgraderade magnetiska testanläggning som förberedelse för dess eventuella inkludering i VISIONS-2-ljudraketuppdraget.

"Om vi ​​lyckas, Goddard kommer att ligga i framkant av CubeSat-magnetometri av naturvetenskap, " han sa.

Små satelliter, inklusive CubeSats, spelar en allt större roll i prospektering, teknik demonstration, vetenskaplig forskning och utbildningsundersökningar vid NASA, inklusive:planetarisk rymdutforskning; Jordobservationer; grundläggande jord- och rymdvetenskap; och utveckla vetenskapliga föregångare som banbrytande laserkommunikation, satellit-till-satellit-kommunikation och autonoma rörelseförmåga.