Ученые наконец разгадали тайну, почему солнечные зонды продолжают запотевать

Космические зонды, предназначенные для изучения Солнца, — это последнее место, где вы ожидаете проблем с влажностью. Тем не менее, недавнее исследование показало, что алюминиевые фильтры на двух разных спутниках ухудшаются из-за того, что вода разъедает их поверхности.

Эти фильтры помогают обнаруживать излучение в экстремальном ультрафиолетовом (EUV), поэтому любое помутнение неизбежно влияет на их эффективность. Хотя проблема была очевидна некоторое время, теперь ученые наконец-то знают, что ее вызывает.

Обсерватория солнечной динамики НАСА (SDO, запущена в 2010 г.), а также Солнечная и гелиосферная обсерватория НАСА и Европейского космического агентства (SOHO , запущенный в 1995 году) у обоих одна и та же проблема. За первые шесть месяцев солнечный монитор EUV SOHO ухудшился примерно на 35 процентов; в последующие пять лет он ухудшился еще на 60 процентов.

Солнечные зонды не совсем дешевы, равно как и запуск ежегодных миссий по повторной калибровке для отправки новых датчиков в космос. Выяснение того, почему фильтры затуманиваются, может сделать будущие миссии солнечных зондов более надежными.

В 2021 году группа ученых во главе с физиком Чарльзом Таррио из Национального института стандартов и технологий (NIST) провела экспериментальные исследования. выяснили, чего это не было, то есть накопление углерода, вызывающее запотевание, которое долгое время считалось виновником.

Теперь они выяснили, что это такое, и это удивительно: окисление алюминий, вызванный присутствием воды и индуцированный ультрафиолетовым излучением. По мере накопления слоев окисленного металла фильтр затуманивается, не позволяя ему пропускать световые волны, для отслеживания которых предназначен датчик.

Поверхность алюминия обычно естественным образом покрыта поверхностным слоем оксида, что происходит, когда атомы кислорода связываются с атомами на поверхности алюминия. Ультрафиолетовый свет увеличивает скорость окисления, вызывая образование дополнительных слоев оксида.

Обычно в космосе не так много кислорода, который мог бы связываться с алюминием, но присутствие воды, содержащей атомы кислорода, может быть изменил правила игры.

Чтобы проверить гипотезу о воде, исследователи использовали установку синхротронного ультрафиолетового излучения (SURF) Национального института стандартов и технологий США для генерации EUV-излучения, направляя его на алюминиевый фильтр в вакуумной камере, в которую поступал водяной пар. был введен.

В своих экспериментах Таррио и его команда действительно обнаружили слой оксида на образце алюминия, который был намного толще, чем предполагает общепринятая теория, хотя и не такой толстый, как те, которые наблюдались на солнечных зондах. . Однако моделирование показало, что при достаточном воздействии — около 10 месяцев — они получили бы оксидный слой, сравнимый с алюминиевыми фильтрами на космических зондах. -два удара.»

«Удар номер один физически показывал, что этот химический процесс с участием воды может вызвать нечто, сравнимое с тем, что мы на самом деле наблюдаем на спутниках. И удар номер два говорит о том, что как только вы создадите теоретическую модели, которая принимает во внимание все факторы, то цифры количественно совпадают с тем, что мы видим на спутниках», — объясняет физик Роберт Берг из NIST.

«Собирая все вместе, я убежден. Вода отвечает за деградация фильтра».

Следующий вопрос: откуда на Земле взялась вода? Команда полагала, что она должна была каким-то образом передвигаться автостопом на самих зондах.

«Это должно было быть что-то, что может непрерывно излучать воду в течение пяти лет с достаточно постоянной скоростью», — говорит Таррио. «Это заставило Бобби [Берга] отправиться на поиски, что, черт возьми, это может быть? Что может быть подходящим источником? И он его нашел».

Ответ, который будет подробно изложен в предстоящая бумага, представляет собой термоодеяло, используемое для защиты деликатных инструментов зонда от экстремальных температур. Они состоят из слоев тонкого листа полиэтилентерефталата (ПЭТ), покрытого отражающим металлом, который отражает большую часть тепла, попадающего на материал.

Однако ПЭТ известен тем, что поглощает и удерживает воду из атмосфера. Итак, он отправляется в космос со всей этой задержкой воды, а затем, когда на него попадает солнечное тепло, вода испаряется и медленно испаряется, попадая в космический корабль и вызывая окисление алюминиевого фильтра EUV.

«Это было трудно, — говорит Берг, — придумать что-то еще, что удерживает такую ​​воду».

Все, что делает Солнце, интересно, но солнечные вспышки и выбросы корональной массы представляют особый интерес здесь, на Земле. Если они высвобождаются в направлении Земли, количество материи, летящей к нам, может вызвать геомагнитные бури, которые рискуют прервать спутниковую и радиосвязь и даже помешать энергосистемам.

Это солнечное вещество может занять два часа. Чтобы добраться до нас, требуется шесть дней, поэтому инструменты, которые могут заблаговременно обнаруживать контрольные волны EUV-излучения, имеют решающее значение для заблаговременного предупреждения и прогнозирования силы грядущей геомагнитной бури.

В будущей работе команда надеется изучить способы предотвращения этого окисления, работая над защитой алюминия или разрабатывая новый фильтр, который может работать в требуемом диапазоне длин волн.

Исследование опубликовано в Solar Физика.