Un satellite delle dimensioni di una pagnotta di pane ha prodotto la prima mappa al mondo della distribuzione globale del ghiaccio atmosferico nella banda 883-Gigahertz, una frequenza importante nella lunghezza d'onda submillimetrica per studiare il ghiaccio delle nuvole e il suo effetto sul clima terrestre.

IceCube, il minuscolo veicolo spaziale dispiegato dalla Stazione Spaziale Internazionale nel maggio 2017, ha dimostrato nello spazio un radiometro commerciale da 883 Gigahertz sviluppato da Virginia Diodes Inc., o VDI, di Charlottesville, Virginia, nell'ambito di un contratto di ricerca innovativa per le piccole imprese della NASA. È in grado di misurare le proprietà critiche del ghiaccio della nuvola atmosferica ad altitudini comprese tra 3-9 miglia (5 Km-15 Km).

Gli scienziati della NASA hanno aperto la strada all'uso di bande di lunghezza d'onda submillimetriche, che cadono tra il microonde e l'infrarosso sullo spettro elettromagnetico, per percepire le nuvole di ghiaccio. Però, fino a IceCube, questi strumenti avevano volato solo a bordo di velivoli di ricerca ad alta quota. Ciò significava che gli scienziati potevano raccogliere dati solo nelle aree sopra le quali l'aereo sorvolava.

"Con IceCube, gli scienziati ora hanno un sistema radiometrico submillimetrico funzionante nello spazio a un prezzo commerciale, " ha detto Dong Wu, uno scienziato e investigatore principale di IceCube presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Ma ancora più importante, fornisce una visione globale della distribuzione delle nuvole e del ghiaccio sulla Terra".

Il rilevamento del ghiaccio atmosferico delle nuvole richiede che gli scienziati dispongano di strumenti sintonizzati su un'ampia gamma di bande di frequenza. Però, è particolarmente importante far volare i sensori submillimetrici. Questa lunghezza d'onda riempie un vuoto di dati significativo nella troposfera media e superiore, dove le nuvole di ghiaccio sono spesso troppo opache perché i sensori a infrarossi e visibili possano penetrare. Rivela anche dati sulle particelle di ghiaccio più piccole che non possono essere rilevate chiaramente in altre bande di microonde.

La sfida tecnica

La mappa di IceCube è la prima nel suo genere e fa ben sperare per future osservazioni spaziali delle nuvole di ghiaccio globali utilizzando la tecnologia delle onde submillimetriche, disse Wu, il cui team ha costruito il veicolo spaziale utilizzando i finanziamenti del programma In-Space Validation of Earth Science Technologies (InVEST) dell'Ufficio per le scienze della terra della NASA (ESTO) e l'iniziativa CubeSat della direzione della missione scientifica della NASA. La sfida del team consisteva nell'assicurarsi che il ricevitore commerciale fosse sufficientemente sensibile da rilevare e misurare il ghiaccio atmosferico delle nuvole utilizzando la minor potenza possibile.

In definitiva, l'agenzia vuole infondere questo tipo di ricevitore in un radiometro di imaging di nuvole di ghiaccio per gli ecosistemi di nuvole di aerosol proposti dalla NASA, o ASSO, missione. Raccomandato dal Consiglio Nazionale delle Ricerche, ACE valuterebbe quotidianamente la distribuzione globale delle nuvole di ghiaccio, che influenzano l'emissione della Terra di energia infrarossa nello spazio e la sua riflessione e assorbimento dell'energia del Sole su vaste aree. Prima di IceCube, questo valore era molto incerto.

"La dice lunga che i nostri scienziati stanno facendo scienza con una missione che principalmente doveva dimostrare la tecnologia, " ha detto Jared Lucey, uno degli ingegneri degli strumenti di IceCube. È stato uno dei pochi scienziati e ingegneri della Goddard e della Wallops Flight Facility della NASA in Virginia che ha sviluppato IceCube in soli due anni. "Abbiamo raggiunto i nostri obiettivi di missione e ora tutto il resto è bonus, " Egli ha detto.

Più lezioni apprese

Oltre a dimostrare osservazioni di onde submillimetriche dallo spazio, il team ha acquisito importanti informazioni su come sviluppare in modo efficiente una missione CubeSat, determinare quali sistemi rendere superflui e quali test rinunciare a causa di fondi limitati e tempi ristretti, ha detto Jaime Esper, Progettista dei sistemi di missione di IceCube e responsabile tecnico del progetto presso Goddard.

"Non è stato un compito facile, " ha detto Negar Ehsan, Il cavo del sistema di strumenti di IceCube. "Era un progetto a basso budget" che ha richiesto al team di sviluppare sia un'unità di prova ingegneristica che un modello di volo in un periodo di tempo relativamente breve. Nonostante le sfide, il team ha consegnato lo strumento fornito da VDI in tempo e budget. "Abbiamo dimostrato per la prima volta osservazioni a 883-Gigahertz nello spazio e dimostrato che il sistema fornito da VDI funziona in modo appropriato, " ha detto. "E 'stato gratificante."

Il team ha utilizzato componenti commerciali standard, compreso il radiometro di VDI. I componenti provenivano da più fornitori commerciali e non sempre funzionavano insieme in armonia, che richiedono ingegneria. Il team non solo ha integrato il radiometro nel veicolo spaziale, ma anche costruito sistemi di supporto a terra per veicoli spaziali e condotto il vuoto termico, vibrazione, e test dell'antenna a Goddard e Wallops.

"IceCube non è perfetto, "Wu ha ammesso, riferito a rumore o lievi errori nei dati del radiometro. "Però, possiamo fare una misurazione scientificamente utile. Siamo usciti con molte lezioni apprese da questo progetto CubeSat, e la prossima volta gli ingegneri possono costruirlo molto più rapidamente."

"Questo è un modello di missione diverso per la NASA, " Wu continuò. "Il nostro obiettivo principale era mostrare che questa piccola missione poteva essere compiuta. La domanda era, potremmo ottenere una scienza utile e far progredire la tecnologia spaziale con un CubeSat a basso costo sviluppato nell'ambito di un'efficace partnership commerciale-governativa. Credo che la risposta sia sì."

Piccoli satelliti, inclusi CubeSat, svolgono un ruolo sempre più importante nell'esplorazione, dimostrazione di tecnologia, ricerca scientifica e indagini educative presso la NASA, tra cui:esplorazione dello spazio planetario; osservazioni della Terra; scienze fondamentali della Terra e dello spazio; e lo sviluppo di strumenti scientifici precursori come comunicazioni laser all'avanguardia, comunicazioni da satellite a satellite e capacità di movimento autonomo.

NASA ESTO supporta le missioni InVEST come IceCube e le tecnologie presso i centri NASA, l'industria e il mondo accademico per lo sviluppo, perfezionare e dimostrare nuovi metodi per osservare la Terra dallo spazio, dai sistemi informativi ai nuovi componenti e strumenti.