Ett mycket litet instrument har ett stort jobb framför sig:att mäta all jordriktad energi som kommer från solen och hjälpa forskare att förstå hur den energin påverkar vår planets svåra väder, klimatförändringar och andra globala krafter.

Ungefär lika stor som en skokartong eller spelkonsol är Compact Total Irradiance Monitor (CTIM) den minsta satellit som någonsin skickats för att observera summan av all solenergi som jorden tar emot från solen – även känd som "total solinstrålning."

Total solinstrålning är en viktig del av jordens strålningsbudget, som spårar balansen mellan inkommande och utgående solenergi. Ökade mängder växthusgaser som släpps ut från mänskliga aktiviteter, såsom förbränning av fossila bränslen, fångar in ökade mängder solenergi i jordens atmosfär.

Den ökade energin höjer den globala temperaturen och förändrar jordens klimat, vilket i sin tur driver saker som stigande havsnivåer och hårt väder.

"Den överlägset dominerande energitillförseln till jordens klimat kommer från solen", säger Dave Harber, seniorforskare vid University of Colorado, Boulder, Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) och huvudforskare för CTIM. "Det är en viktig input för prediktiva modeller som förutsäger hur jordens klimat kan förändras över tiden."

NASA-uppdrag som Earth Radiation Budget Experiment och NASA-instrument som CERES har gjort det möjligt för klimatforskare att upprätthålla ett obrutet rekord av total solinstrålning som sträcker sig 40 år tillbaka i tiden. Detta gjorde det möjligt för forskare att utesluta ökad solenergi som en bov till klimatförändringar och erkänna den roll som växthusgaser spelar i den globala uppvärmningen.

Att säkerställa att rekordet förblir obrutet är av största vikt för jordforskare. Med en obruten total solinstrålningsrekord kan forskare upptäcka små fluktuationer i mängden solstrålning som jorden tar emot under solcykeln, samt betona vilken inverkan utsläpp av växthusgaser har på jordens klimat.

Till exempel, förra året, förlitade sig forskare från NASA och NOAA på det obrutna totala solinstrålningsrekordet för att fastställa att mängden solstrålning som finns kvar i jordens atmosfär nästan fördubblades mellan 2005 och 2019.

"För att säkerställa att vi kan fortsätta att samla in dessa mätningar måste vi göra instrument så effektiva och kostnadseffektiva som möjligt," sa Harber.

CTIM är en prototyp:dess flygdemonstration kommer att hjälpa forskare att avgöra om små satelliter kan vara lika effektiva för att mäta total solinstrålning som större instrument, såsom Total Irradiance Monitor (TIM) instrumentet som används ombord på det avslutade SORCE-uppdraget och det pågående TSIS-1 uppdrag på den internationella rymdstationen. Om den lyckas kommer prototypen att utveckla de metoder som används för framtida instrument.

CTIM:s strålningsdetektor drar fördel av ett nytt kolnanorörsmaterial som absorberar 99,995 % av inkommande ljus. Detta gör den unikt väl lämpad för mätning av total solinstrålning.

Att minska en satellits storlek minskar kostnaden och komplexiteten för att distribuera den satelliten i låg omloppsbana om jorden. Det gör det möjligt för forskare att förbereda reservinstrument som kan bevara TSD-dataposten om ett befintligt instrument skulle fungera.

CTIM:s nya strålningsdetektor – även känd som en bolometer – drar fördel av ett nytt material som utvecklats tillsammans med forskare vid National Institute for Standards and Technology.

"Den ser lite ut som en väldigt, väldigt mörk shag-matta. Det var det svartaste ämne som människor någonsin hade tillverkat när det först skapades, och det fortsätter att vara ett exceptionellt användbart material för att observera TSI," sa Harber.

Materialet är tillverkat av små kolnanorör anordnade vertikalt på en kiselskiva, och absorberar nästan allt ljus längs det elektromagnetiska spektrumet.

Tillsammans tar CTIMs två bolometrar mindre plats än en fjärdedel. Detta gjorde det möjligt för Harber och hans team att utveckla ett litet instrument som passar för att samla in total bestrålningsdata från en liten CubeSat-plattform.

Ett systerinstrument, Compact Spectral Irradiance Monitor (CSIM), använde samma bolometrar 2019 för att framgångsrikt utforska variabiliteten inom ljusband som finns i solljus. Framtida NASA-uppdrag kan slå samman CTIM och CSIM till ett enda kompakt verktyg för både mätning och dissekering av solstrålning.

"Nu frågar vi oss själva:"Hur tar vi det vi har utvecklat med CSIM och CTIM och integrerar dem tillsammans", sa Harber.

Harber förväntar sig att CTIM ska börja samla in data ungefär en månad efter lanseringen, för närvarande planerad till den 30 juni 2022, ombord på STP-28A, ett rymdstyrkauppdrag utfört av Virgin Orbit. När Harber och hans LASP-kollegor vecklar ut CTIMs solpaneler och kontrollerar vart och ett av dess delsystem, kommer de att aktivera CTIM. Det är en känslig process, en som kräver flit och extrem omsorg.

"Vi vill ta vår tid och se till att vi gör dessa steg noggrant och att varje komponent i det här instrumentet fungerar korrekt innan vi går vidare till nästa steg," sa Harber. "Bara att visa att vi kan samla dessa mätningar med en CubeSat skulle vara en stor sak. Det skulle vara mycket glädjande."

Finansieras genom InVEST-programmet i NASA:s geovetenskapliga teknologikontor, CTIM avfyras från Mojave Air and Space Port i Kalifornien ombord på Virgin Orbits LauncherOne-raket som en del av USA:s rymdstyrka STP-S28A-uppdrag.

En annan NASA-utexaminerad från InVEST-teknologiprogrammet, NACHOS-2, kommer också att vara ombord. En NACHOS tvilling, NACHOS-2 kommer att hjälpa Department of Energy att övervaka spårgaser i jordens atmosfär. + Utforska vidare

NASA-instrumentnyckeln för att förstå soldriven planet anländer till Kennedy Space Center