Shkencëtarët zbulojnë përgjigjen për misterin e filtrave me re në satelitë

Ka një mister që po ndodh në disa satelitë përballë diellit dhe shkencëtarët nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë (NIST) dhe Laboratori për fizikën atmosferike dhe hapësinore (LASP) janë në këtë rast. Ekipi është përpjekur të kuptojë se çfarë po mjegullon dhe rrezikon performancën e membranave të vogla metalike të hollë që filtrojnë dritën e diellit ndërsa hyn në detektorë që monitorojnë rrezet ultraviolet (UV) të diellit.

Këta detektorë mund të na paralajmërojnë për stuhitë diellore të afërta—shpërthimet e rrezatimit nga sipërfaqja e diellit—që mund të arrijnë në Tokë dhe të ndërpresin përkohësisht komunikimet ose të ndërhyjnë në leximet e GPS.

Vitin e kaluar, ekipi hodhi poshtë teorinë mbizotëruese: se kjo mjegull ishte një grumbullim i karbonit në sipërfaqen e filtrave nga burimet organike të depozituara në satelit.

Tani, në një seri prej tre letrash të reja, i njëjti ekip nga NIST dhe LASP ka bërë një argument të fortë për atë që ata mendojnë se është fajtori i vërtetë: oksidimi i shkaktuar nga uji, i cili së bashku me dritën UV nga dielli po prodhon një shtresë të trashë oksidi i aluminit – shumë më i trashë nga sa mendohej më parë – që bllokon rrezet hyrëse.

Si bonus, studiuesit besojnë se kanë identifikuar burimin e ujit: batanije termike, të cilat përdoren për të kontrolluar temperaturën e instrumenteve në një anije kozmike. Ky informacion mund t’i ndihmojë shkencëtarët të përmirësojnë performancën e satelitëve të ardhshëm që mbështeten në këtë lloj filtri, ndoshta duke shtuar pajisje që kufizon ekspozimin e filtrave në zonën përreth batanijeve termike, ose duke përdorur materiale të ndryshme si pjesë e vetë filtrave.

E para nga tre punimet u botua sot në Solar Physics.

“Me sa di unë jemi të vetmit njerëz që shikojmë oksidimin e filtrit për shkak të ekspozimit ndaj dritës ultravjollcë,” tha Charles Tarrio i NIST.

Vërtetimi se uji është përgjegjës për problemin “ishte një lloj goditjeje një ose dy”, tha fizikani i NIST Robert Berg. “Grushti një po tregonte fizikisht se ky proces kimik që përfshin ujin mund të shkaktonte diçka të krahasueshme me atë që ne në të vërtetë shohim duke ndodhur në satelitë. Dhe grushti numër dy thotë se sapo të krijoni një model teorik që merr gjithçka parasysh, atëherë numrat rreshtohen. në mënyrë sasiore me atë që shohim në satelitë.

“Duke bërë gjithçka së bashku, jam i bindur,” tha Berg. “Uji është përgjegjës për degradimin e filtrit.”

Pjesa më e madhe e dritës së prodhuar nga dielli është e dukshme dhe varion nga drita e kuqe, me një gjatësi vale prej rreth 750 nanometra (nm, të miliardat e një metri), në dritën vjollce, me një gjatësi vale prej rreth 400 nm. Midis gjatësive të tjera valore, dielli lëshon gjithashtu sasi relativisht të vogla drite në rrezen ekstreme ultravjollcë (EUV), e cila shtrihet nga 100 nm deri në vetëm 10 nm – gjatësi vale shumë të shkurtra për t’u parë nga sytë e njeriut.

Ndonëse i vogël, ai sinjal EUV është i dobishëm, sepse ai shpërthen së bashku me ndezjet diellore që mund të ndërpresin komunikimet në Tokë ose të shkaktojnë probleme me GPS. Sinjalet e EUV gjithashtu u japin shkencëtarëve një paralajmërim prej orëve apo edhe ditëve përpara se më shumë fenomene shkatërruese të tilla si nxjerrjet e masës koronale të arrijnë në Tokë. Këto shpërthime të grimcave të ngarkuara mund të mbingarkojnë linjat e energjisë elektrike ose të rrisin ekspozimin ndaj rrezatimit për ekuipazhin dhe pasagjerët e linjës ajrore.

Një pjesë kritike e pajisjeve në detektorët hapësinorë me pamje nga dielli janë filtrat e aluminit, secili më i vogël se një pullë postare, që bllokojnë të gjithë, përveç dritës EUV, midis gjatësisë valore 17 nm dhe 80 nm.

Edhe pse ata fillojnë jetën e tyre në hapësirë duke transmetuar shumë dritë EUV në rrezen e tyre, brenda vetëm pak viteve ata mund të humbasin një sasi të konsiderueshme të aftësisë së transmetimit. Për shembull, një filtër mund të fillojë duke lejuar 50% të dritës EUV 30 nm të kalojë në detektor. Ky numër mund të bjerë në 25% brenda një viti dhe 10% brenda pesë viteve.

Shkencëtarët besonin se një substancë e panjohur duhet të jetë duke u rritur ose duke u depozituar në filtra, duke i bërë ato të errësohen për vetëm disa muaj dhe duke kufizuar sasinë e dritës që hyn në detektorë. Teoria kryesore ishte se karboni po dilte nga vetë instrumenti dhe po depozitohej në filtra.

Kur stafi i NIST dhe LASP e hodhi poshtë këtë vitin e kaluar, ata e kthyen vëmendjen e tyre tek ajo që mendonin se ishte një shpjegim shumë më i mundshëm: procesi i oksidimit, në të cilin atomet e oksigjenit nga molekulat e ujit (H2O) kombinohen me atomet e aluminit nga vetë filtri (Al ) për të formuar një shtresë të turbullt të oksidit të aluminit (Al2O3). (Rastësisht, një shtresë e hollë oksidi alumini mbulon natyrshëm të gjitha objektet e aluminit në Tokë, nga kanaçet e gazit deri te tiganët.)

Shkencëtarët e dinin tashmë se ekspozimi i një sipërfaqe alumini ndaj dritës UV në prani të ujit mund të rrisë shtresa shtesë oksidi përtej atyre që formohen natyrshëm. Por nuk kishte asnjë teori ekzistuese që mund të shpjegonte se si oksidi i aluminit mund të trashësohej mjaftueshëm për të shkaktuar këtë problem të turbullimit.

Studiuesit vendosën të eksplorojnë tërësisht se si prania e ujit mund të ndikojë te filtrat, për të përcaktuar se çfarë po ndodhte në të vërtetë.

Studiuesit e NIST donin të testonin teorinë e tyre të ujit në një mjedis të kontrolluar: një makinë që i lejon në mënyrë efektive të krijojnë mot në hapësirë. I quajtur NIST’s Synchrotron Radiation Facility (SURF), pajisja është një përshpejtues i grimcave me madhësi të dhomës që përdor magnet të fuqishëm për të lëvizur elektronet në një unazë. Lëvizja gjeneron dritën EUV, e cila mund të devijohet përmes pasqyrave të specializuara për të goditur objektivat siç janë filtrat satelitorë që testohen.

Pavarësisht ekspozimit të filtrave të tyre të mostrës ndaj dritës ultravjollcë të prodhuar në laborator për aq kohë sa 20 ditë, ata nuk ishin në gjendje të rritnin shtresa oksidi aq të trasha sa nevojiteshin për të shpjeguar mjegullësinë e filtrave realë të hapësirës. Por shtresat e oksidit ishin ende shumë më të trasha se sa parashikohej nga teoria e pranuar.

Studiuesit besojnë se me ekspozim të mëtejshëm ata do të kishin arritur trashësinë e kërkuar. Ata parashikuan gjithashtu se filtrat e mostrës do të duhej të ekspozoheshin ndaj rrezes SURF për rreth 10 muaj për të arritur të njëjtën trashësi oksidi si filtrat në hapësirën aktuale.

Duke marrë një mënyrë tjetër, ekipi kreu gjithashtu studime modelimi. Modelet e përfunduara përputhen pothuajse saktësisht me atë që astronomët po shohin në filtrat e vërtetë të aluminit në hapësirë.

Një pjesë kryesore e suksesit të modelit të ri është se ai llogaritet për faktin se elektronet shpërndahen gjatë udhëtimit brenda filtrave të aluminit. Kjo shpërndarje ngadalëson ecurinë e tyre, gjë që ndikon në dinamikën e rritjes së oksidit.

“Ky është modeli i parë që merr parasysh elektronet e shpërndara dhe përdor parametra që pajtohen me atë që pritet në literaturë për secilin nga hapat në reaksionin kimik,” tha Berg.

Megjithatë, që modelet të funksiononin, mungonte një informacion kyç: një burim i rëndësishëm uji që mund të ushqente këtë reagim.

“Duhet të ishte diçka që mund të lëshojë ujë për pesë vjet vazhdimisht me ritme të arsyeshme konstante,” tha Tarrio. “Kjo e shtyu Bobby [Berg] në këtë kërkim për të gjetur, çfarë dreqin mund të jetë ky? Cili mund të jetë një burim që i përshtatet? Dhe ai e gjeti atë.”

Burimi më i mundshëm, përfundon Berg, janë batanijet termike. Këto janë bërë nga një lloj plastik i quajtur polietileni tereftalat (PET), i njohur për kapjen e ujit në Tokë. Ky ujë zakonisht nuk është problem për shumicën e pajisjeve.

“Ishte e vështirë të mendohej për ndonjë gjë tjetër që do të mbante atë lloj uji,” tha Berg.

Puna e ardhshme, shpresojnë studiuesit, ndoshta do të përfshijë testimin e materialeve të ndryshme për filtrat që do të ishin ende transparentë në gjatësitë e valëve përkatëse, por nuk do të ishin të ndjeshme ndaj oksidimit.