宇宙からの太陽光をチップ上で測定

2022 年 11 月 7 日

ジェニファー・ローレン・リー著、国立標準技術研究所

40 年間、人々は宇宙ベースのセンサーを使用して太陽からの光の量を測定してきました。これにより、科学者は地球上の気候変動についての洞察を得ることができます。

地球の気候システムを動かしているエネルギーのほとんどは太陽光から来ています。 したがって、科学者が太陽から地球に衝突するエネルギーを測定し、また地球から出ていくエネルギーも測定すれば、どれだけのエネルギーが残っているかを決定することができます。

科学者たちは宇宙から地球に届く太陽光を測定します。 彼らが測定している量 (「総太陽放射照度」(TSI) と呼ばれる) には、紫外線から可視光線、赤外線に至るまで、太陽から発せられるさまざまな波長の光のすべてのエネルギーが含まれます。

ただし、TSI の監視に現在使用されているデバイスは、構築と起動に比較的高価です。 これにより、時間の経過によるTSIの変化を正確に評価するために必要な、継続的で中断のない測定を維持する科学者の能力が危険にさらされます。

現在、国立標準技術研究所 (NIST) が大気宇宙物理学研究所 (LASP) と協力して開発した新技術により、時計と同じくらい正確な、より軽量で安価な装置の構築と発売が可能になりました。現在 TSI 測定に使用されている同等の機器。 コンパクト全放射照度モニター (CTIM) と呼ばれるこの機器は、チップに統合された放射線計の一種で、CubeSat と呼ばれる標準化された小型衛星に搭載されて宇宙に打ち上げられます。

NIST チップベースの CTIM は、研究者に高い精度 (不確かさはわずか 0.015%) と安定性 (ドリフト (経時的な測定値の変化) は年間 0.001% 未満) を提供します。

これは、現在太陽光の測定に使用されている放射照度モニターに匹敵します。 ただし、新しいセンサーの製造コストは 10 分の 1 であり、これにははるかに小型の検出器を宇宙に打ち上げることによる節約分は含まれていません。

NISTのジョン・リーマン氏は、「前世代の衛星は20年かかったのに対し、この衛星は数年以内に構想、構築、テスト、打ち上げられた」と述べた。 「これは大きな技術的成功だと考えています。これを実現できる市販の検出器はありません。」

検出器のプロトタイプは今夏に打ち上げられ、2年間にわたってデータを収集する予定だ。

「現時点で、CTIM CubeSat が測定を開始して以来、一次検出器は 100 時間以上の太陽への直接曝露を経験しています」と、コロラド大学ボルダー校 LASP の上級研究員であり、CTIM の主任研究員であるデイブ・ハーバー氏は述べています。 「CTIMチームは現在、これまでに取得したデータの分析を最終段階にまとめているところですが、初期分析では、この機器全般、特にNISTが製造した検出器が軌道上で優れた性能を示していることが示されています。」

新旧両方の TSI 測定は、ボロメータ (発生する熱から入ってくる光放射を測定する検出器) を使用して行われます。 太陽からの光がボロメーターに当たり、ボロメーターはさまざまな波長の光エネルギーを吸収します。 吸収されたエネルギーにより温度計が加熱されます。

しかし、この熱は直接測定されません。 代わりに、これらのデバイスは通常、電気的置換の原理を使用します。 内蔵ヒーターにより温度計の温度が任意の温度まで上昇します。 その後、シャッターが開き、太陽の光が差し込みます。 太陽からの光放射によって温度計が加熱され、温度を一定に保つためにフィードバック機構によってヒーターがオフになります。 ヒーターの電力がどれだけ減少するかによって、デバイスを加熱するために太陽からの光電力がどれだけ吸収されたかがわかります。

国際宇宙ステーションに取り付けられ、現在使用されている TSI デバイスは、全スペクトルおよび分光太陽放射センサー (TSIS) と呼ばれています。 それは比較的重くて大きく、寮の冷蔵庫とほぼ同じ大きさであるため、宇宙に送るのはより高価です。

対照的に、新しい NIST-LASP TSI 装置は、全体で靴箱ほどのサイズです。 これは、垂直に配向したカーボンナノチューブ（CNT）で作られた超吸収性素材を特徴とする、1ドル硬貨ほどの大きさの小さなチップスケールのデバイスで太陽エネルギーを収集します。 これらの CNT は、基本的にすべての可視光だけでなく、紫外 (UV) および赤外 (IR) 範囲のほとんどの光を吸収します。

「赤外線で見ても比較的黒いです」とリーマン氏は語った。 「そのようなものは他にありません。これらの長い波長を吸収するのに十分な厚さを作ることができ、それでも吸収された放射線を検出器に転送することができます。」

カスタムチップベースの CNT は数年前に開発されました。 しかし、温度計、ヒーター、その他の部品を備えた完全なチップベースのボロメーターを作成するには、それだけで何年もかかりました。 デバイスのプロトタイプは、NIST の Nathan Tomlin 氏によって手作りされました。

「私たちが本当に進歩したのは、完全な検出器を開発していることだ」とリーマン氏は語った。 「すべてがこのチップに統合されています。これは、たまたま非常に洗練されたナノチューブを搭載した多機能検出器です。これらは、1990 年代初期の活気に満ちた時代のナノチューブではありません。」

CubeSat に含まれる 8 つのチップベースのデバイスのうち、実際に太陽光を継続的に測定するのは 2 つだけです。 残りの 6 個は定期的にのみ太陽に遭遇するため、研究者は曝露中にセンサーがどの程度劣化するかを判断するのに役立ちます。

衛星にセンサーを簡単に追加できることは、以前の技術に比べてこの技術の大きな利点です。 小型で安価な検出器を使用すると、科学者は検出器を大量に使用できるため、冗長性が確保されて測定の精度が向上する可能性があります。

また、これは概念実証の実験ではありますが、それでも CTIM からのデータは科学者が使用するのに十分なデータである可能性があります。 これは、太陽の分光放射照度 (つまり、各波長で放射されるエネルギーの量) を監視するために NIST が数年前に開発した同様の検出器でも起こったことです。 Compact Spectral Irradiance Monitor (CSIM) と呼ばれるこのデバイスも LASP との共同開発です。

「CSIMは概念実証でもあった」とリーマン氏は語った。 「しかし、CSIM で判明したように、ほぼ 2 年分のデータが得られました。そして、そのデータは科学者が基準を再定義するのに十分な内容でした。ですから、この実験もその話に貢献することを期待しています。」

米国国立標準技術研究所提供