Ett par små precisionskretsande satelliter kommer att försöka fånga de första vyerna någonsin av småskaliga särdrag nära solens yta som forskare tror driver uppvärmningen och accelerationen av solvinden.
Heliofysikern Dr. Doug Rabin vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, sa att fotonsiktar, en teknik som kan fokusera extremt ultraviolett ljus, borde kunna lösa funktioner som är 10 till 50 gånger mindre än vad som kan ses idag med Solar Dynamics Observatoriets EUV-bildapparat.
För att vara mest effektiva måste de dock vara breda, supertunna och etsade med exakta hål för att bryta ljus. Goddards ingenjör Kevin Denis arbetade i Goddards Detector Development Laboratory och utvecklade nya sätt att skapa bredare och tunnare membran från wafers av kisel och niob.
Varje framsteg hittills har krävt ytterligare steg för att skydda de resulterande siktarna, som att lämna kvar en bikaka av tjockare material för att stödja membranet och förhindra sönderrivning. "Det är en ren fysisk utmaning att konstruera siktar med sådan precision", säger Goddard heliofysiker Dr. Doug Rabin. "Deras minsta egenskaper är 2 mikron tvärs över med ett 2 mikron gap mellan perforeringarna, det är ungefär lika stort som de flesta bakterier."
Etsade från mitten med allt mindre ringar av hål, sållar är byggda för att bryta ljus på samma sätt som Fresnel-linser som används i fyrar. Extremt ultraviolett ljus som passerar genom denna sikt böjs gradvis inåt till en kamera på avstånd. Tunna membran är viktiga för solvetenskapen eftersom dessa silar överför mer ljus än tjockare material, sa Denis.
Han och kollegan Kelly Johnson tillverkade framgångsrikt en 3-tums (8 cm) diameter kiselsil, bara 100 nanometer tjock. Nu experimenterar de med niobmembran, vilket ytterligare kan förbättra ljusinsamlingseffektiviteten eftersom de överför upp till sju gånger mer ljus än kisel. De har framgångsrikt etsat en 5-tums (13 cm) diameter niobsil bara 200 nanometer tjock.
Denis hämtar inspiration från ett nära samarbete med forskare för att övervinna hinder för att utveckla sitt område, sa han. "De har gjort ett fantastiskt jobb med att använda silarna i vetenskapliga tillämpningar på kort sikt samtidigt som vi driver tekniken för större och mer kapabla uppdrag."
Fotonsiktar skurna från material så tjocka som 25 mikron är redan en del av teknikdemonstrationen VISORS—Virtual Super Optics Reconfigurable Swarm—CubeSat-uppdraget, som förväntas lanseras 2024. VISORS består av en kompakt satellit ungefär lika stor som en portfölj utrustad med siktar för att bryta ljuset på en mottagare på en andra satellit 40 meter bort.
Att bibehålla dessa rymdfarkosters högprecisionsbana och utveckla ett solskydd är i fokus för andra Goddard IRAD-projekt. VISORs framgång kan bana väg för ett större framtida uppdrag, med rymdskeppsseparation mätt i kilometer, som använder den större upplösningen av Denis tunnare såll när de är redo för rymdfärd. En annan större fotonsikt kommer att användas för att kalibrera MUSE—Multi-slit Solar Explorer—spektrometern som förväntas lanseras 2027.
Denis arbete lyftes fram i Physics Today , och har redan resulterat i två patent, med ett tredje inlämnat. Goddards chefsteknolog Peter Hughes tilldelade Denis priset FY23 IRAD Innovator of the Year Award under programmets årliga postersession som hölls den 15 november.
Medan han fortsätter att tänja på teknikens gränser, sa Denis att han ser fram emot lanseringen av MUSE och VISORS. "Det är en stor motivation att se hur de kommer att användas för ny vetenskap även när vi fortsätter att förbättra."
Mer information: Holly Gilbert, Advances in solar telescopes, Physics Today (2023). DOI:10.1063/PT.3.5292
Journalinformation: Fysik idag
Tillhandahålls av NASA:s Goddard Space Flight Center
