Lo strumento Compact Total Irradiance Monitor (CTIM) della NASA, che aiuterà i ricercatori a capire meglio come l'energia solare influisce su innumerevoli sistemi terrestri. Credito:Tim Hellickson / Università del Colorado, Boulder
Uno strumento molto piccolo ha un grande lavoro davanti a sé:misurare tutta l'energia diretta dalla Terra proveniente dal sole e aiutare gli scienziati a capire come quell'energia influenza il maltempo del nostro pianeta, i cambiamenti climatici e altre forze globali.
Grande quanto una scatola da scarpe o una console di gioco, il Compact Total Irradiance Monitor (CTIM) è il più piccolo satellite mai inviato per osservare la somma di tutta l'energia solare che la Terra riceve dal sole, nota anche come "irraggiamento solare totale".
L'irraggiamento solare totale è una componente importante del bilancio della radiazione terrestre, che tiene traccia dell'equilibrio tra l'energia solare in entrata e in uscita. L'aumento della quantità di gas serra emessi dalle attività umane, come la combustione di combustibili fossili, intrappola l'aumento della quantità di energia solare nell'atmosfera terrestre.
Questa maggiore energia aumenta le temperature globali e cambia il clima terrestre, che a sua volta determina cose come l'innalzamento del livello del mare e il maltempo.
"Di gran lunga l'input energetico dominante al clima terrestre viene dal sole", ha affermato Dave Harber, ricercatore senior presso l'Università del Colorado, Boulder, Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) e ricercatore principale per CTIM. "È un input chiave per i modelli predittivi che prevedono come il clima della Terra potrebbe cambiare nel tempo".
Le missioni della NASA come l'Earth Radiation Budget Experiment e gli strumenti della NASA come il CERES hanno consentito agli scienziati del clima di mantenere un record ininterrotto di irraggiamento solare totale che risale a 40 anni fa. Ciò ha consentito ai ricercatori di escludere l'aumento dell'energia solare come responsabile del cambiamento climatico e di riconoscere il ruolo svolto dai gas serra nel riscaldamento globale.
Garantire che il record rimanga intatto è di fondamentale importanza per gli scienziati della Terra. Con un record ininterrotto di irraggiamento solare totale, i ricercatori possono rilevare piccole fluttuazioni nella quantità di radiazione solare che la Terra riceve durante il ciclo solare, oltre a sottolineare l'impatto delle emissioni di gas serra sul clima terrestre.
Ad esempio, l'anno scorso, i ricercatori della NASA e della NOAA hanno fatto affidamento sul record ininterrotto di irraggiamento solare totale per determinare che, tra il 2005 e il 2019, la quantità di radiazione solare rimasta nell'atmosfera terrestre è quasi raddoppiata.
"Per essere sicuri di poter continuare a raccogliere queste misurazioni, dobbiamo realizzare strumenti il più efficienti ed economici possibile", ha affermato Harber.
CTIM è un prototipo:la sua dimostrazione di volo aiuterà gli scienziati a determinare se i piccoli satelliti potrebbero essere efficaci nel misurare l'irraggiamento solare totale come strumenti più grandi, come lo strumento Total Irradiance Monitor (TIM) utilizzato a bordo della missione SORCE completata e il TSIS-1 in corso missione sulla Stazione Spaziale Internazionale. In caso di successo, il prototipo farà avanzare gli approcci utilizzati per gli strumenti futuri.
Il rilevatore di radiazioni di CTIM sfrutta un nuovo materiale in nanotubi di carbonio che assorbe il 99,995% della luce in ingresso. Questo lo rende particolarmente adatto per misurare l'irraggiamento solare totale.
La riduzione delle dimensioni di un satellite riduce il costo e la complessità del dispiegamento di quel satellite nell'orbita terrestre bassa. Ciò consente agli scienziati di preparare strumenti di riserva in grado di preservare il record di dati della STI in caso di malfunzionamento di uno strumento esistente.
Il nuovo rivelatore di radiazioni di CTIM, noto anche come bolometro, sfrutta un nuovo materiale sviluppato insieme ai ricercatori del National Institute for Standards and Technology.
"Assomiglia un po' a un tappeto peloso molto, molto scuro. Era la sostanza più nera che gli esseri umani avessero mai prodotto quando è stato creato per la prima volta e continua a essere un materiale eccezionalmente utile per osservare la TSI", ha detto Harber.
Costituito da minuscoli nanotubi di carbonio disposti verticalmente su un wafer di silicio, il materiale assorbe quasi tutta la luce lungo lo spettro elettromagnetico.
Insieme, i due bolometri di CTIM occupano meno spazio della faccia di un quarto. Ciò ha consentito ad Harber e al suo team di sviluppare un minuscolo strumento adatto alla raccolta di dati sull'irradianza totale da una piccola piattaforma CubeSat.
Uno strumento gemello, il Compact Spectral Irradiance Monitor (CSIM), ha utilizzato gli stessi bolometri nel 2019 per esplorare con successo la variabilità all'interno delle bande di luce presenti alla luce solare. Le future missioni della NASA potrebbero unire CTIM e CSIM in un unico strumento compatto per misurare e sezionare la radiazione solare.
"Ora ci chiediamo:'Come prendiamo ciò che abbiamo sviluppato con CSIM e CTIM e li integriamo insieme'", ha affermato Harber.
Harber prevede che CTIM inizi a raccogliere dati circa un mese dopo il lancio, attualmente previsto per il 30 giugno 2022, a bordo dell'STP-28A, una missione della Space Force eseguita da Virgin Orbit. Una volta che Harber ei suoi colleghi LASP apriranno i pannelli solari di CTIM e controlleranno ciascuno dei suoi sottosistemi, attiveranno CTIM. È un processo delicato, che richiede diligenza ed estrema cura.
"Vogliamo prenderci il nostro tempo e assicurarci di eseguire questi passaggi rigorosamente e che ogni componente di questo strumento funzioni correttamente prima di passare al passaggio successivo", ha affermato Harber. "Dimostrare solo che possiamo raccogliere queste misurazioni con un CubeSat sarebbe un grosso problema. Sarebbe molto gratificante."
Finanziato attraverso il programma InVEST presso l'Earth Science Technology Office della NASA, CTIM viene lanciato dal Mojave Air and Space Port in California a bordo del razzo LauncherOne di Virgin Orbit come parte della missione STP-S28A della United States Space Force.
A bordo sarà anche un altro laureato della NASA del programma tecnologico InVEST, NACHOS-2. Un gemello NACHOS, NACHOS-2 aiuterà il Dipartimento dell'Energia a monitorare i gas in tracce nell'atmosfera terrestre. + Esplora ulteriormente
