Mesurer la lumière du soleil depuis l'espace, sur une puce

7 novembre 2022

par Jennifer Lauren Lee, Institut national des normes et de la technologie

Depuis 40 ans, les gens utilisent des capteurs spatiaux pour mesurer la quantité de lumière provenant du soleil, ce qui donne aux scientifiques un aperçu du changement climatique sur Terre.

La majeure partie de l'énergie qui alimente le système climatique de la Terre provient de la lumière du soleil. Ainsi, si les scientifiques mesurent l'énergie frappant la Terre depuis le soleil, et mesurent également l'énergie quittant la Terre, ils peuvent alors déterminer la quantité d'énergie restante.

Les scientifiques mesurent la lumière du soleil atteignant la Terre depuis l'espace. La quantité qu'ils mesurent - appelée "l'irradiance solaire totale" (TSI) - comprend toute l'énergie de toutes les différentes longueurs d'onde de la lumière sortant du soleil, de l'ultraviolet au visible et à l'infrarouge.

Cependant, les appareils actuellement utilisés pour surveiller la STI sont relativement coûteux à construire et à lancer. Cela met en péril la capacité des scientifiques à maintenir une mesure continue et ininterrompue, dont ils ont besoin pour évaluer avec précision les modifications apportées à la TSI au fil du temps.

Aujourd'hui, une nouvelle technologie développée par le National Institute of Standards and Technology (NIST), en coordination avec le Laboratoire de physique atmosphérique et spatiale (LASP), a permis de construire et de lancer un appareil plus léger, moins cher et aussi précis qu'un instrument comparable actuellement utilisé pour les mesures TSI. Appelé Compact Total Irradiance Monitor (CTIM), l'instrument est un type de compteur de rayonnement intégré dans une puce et lancé dans l'espace sur un satellite miniature standardisé appelé CubeSat.

Le CTIM basé sur la puce du NIST devrait donner aux chercheurs une grande précision (avec des incertitudes de seulement 0,015 %) et une stabilité (avec une dérive - un changement des valeurs mesurées dans le temps - de moins de 0,001 % par an).

Ceci est comparable au moniteur d'irradiance actuellement utilisé pour mesurer la lumière du soleil. Cependant, le nouveau capteur représente un dixième du coût de construction, et cela n'inclut pas les économies réalisées grâce au lancement d'un détecteur beaucoup plus petit dans l'espace.

"Ce satellite a été conçu, construit, testé et lancé en quelques années, alors que le prédécesseur a pris 20 ans", a déclaré John Lehman du NIST. "Nous considérons qu'il s'agit d'un grand succès technique. Aucun détecteur commercial ne peut le faire."

Le prototype de détecteur a été lancé cet été et collectera des données pendant deux ans.

"À ce stade, les détecteurs primaires ont subi plus de 100 heures d'exposition directe au soleil depuis que le CTIM CubeSat a commencé à prendre des mesures", déclare Dave Harber, chercheur principal à l'Université du Colorado, Boulder, LASP et chercheur principal pour CTIM. "L'équipe CTIM finalise actuellement l'analyse des données prises jusqu'à présent, mais l'analyse initiale montre que l'instrument en général, et les détecteurs fabriqués par le NIST en particulier, présentent d'excellentes performances en orbite."

Les anciennes et les nouvelles mesures TSI sont effectuées avec des bolomètres, des détecteurs qui mesurent le rayonnement optique entrant à partir de la chaleur qu'il produit. La lumière du soleil frappe le bolomètre, qui absorbe l'énergie optique d'une gamme de longueurs d'onde. L'énergie absorbée chauffe un thermomètre.

Mais cette chaleur n'est pas mesurée directement. Au lieu de cela, ces appareils utilisent généralement le principe de la substitution électrique. Un élément chauffant intégré augmente la température du thermomètre d'une certaine quantité arbitraire. Puis un volet s'ouvre pour révéler la lumière du soleil. Le rayonnement optique du soleil chauffe le thermomètre et un mécanisme de rétroaction provoque l'arrêt du réchauffeur afin de maintenir la température constante. La diminution de la puissance du radiateur vous indique la quantité de puissance optique du soleil qui a été absorbée pour chauffer l'appareil.

Le dispositif TSI actuellement utilisé - attaché à la Station spatiale internationale - s'appelle le capteur d'irradiance solaire totale et spectrale (TSIS). Il est relativement lourd et grand, presque de la taille d'un réfrigérateur de dortoir, ce qui le rend plus coûteux à envoyer dans l'espace.

En revanche, le nouvel instrument NIST-LASP TSI a, au total, la taille d'une boîte à chaussures. Il collecte l'énergie solaire avec de minuscules dispositifs à l'échelle d'une puce, chacun de la taille d'une pièce d'un dollar, comportant un matériau ultra-absorbant composé de nanotubes de carbone (NTC) alignés verticalement. Ces NTC absorbent essentiellement toute la lumière visible ainsi que la plupart de la lumière dans les gammes ultraviolette (UV) et infrarouge (IR).

"C'est relativement noir même dans l'infrarouge", a déclaré Lehman. "Rien d'autre n'est comme ça. Nous pouvons le rendre suffisamment épais pour absorber ces longues longueurs d'onde, et il est toujours capable de transférer ce rayonnement absorbé dans le détecteur."

Les NTC basés sur des puces personnalisées ont été développés il y a plusieurs années. Mais la création du bolomètre à puce complet, avec le thermomètre, le réchauffeur et d'autres pièces, a pris des années à elle seule. Les prototypes d'appareils ont été fabriqués à la main par Nathan Tomlin du NIST.

"Ce que nous avons vraiment avancé, c'est que nous fabriquons des détecteurs complets", a déclaré Lehman. "Tout est intégré dans cette puce. C'est un détecteur multifonctionnel qui contient des nanotubes vraiment sophistiqués. Ce ne sont pas les nanotubes de ces premiers jours grisants des années 1990."

Sur les huit appareils à puce du CubeSat, seuls deux mesureront en permanence la lumière du soleil. Les six autres ne verront le soleil que périodiquement, ce qui aidera les chercheurs à déterminer dans quelle mesure les capteurs se dégradent pendant l'exposition.

La facilité d'ajouter plus de capteurs à un satellite est un avantage majeur de cette technologie par rapport aux techniques précédentes. De petits détecteurs peu coûteux permettent aux scientifiques de les utiliser en vrac, ce qui pourrait augmenter la précision des mesures en permettant une redondance.

Et même s'il s'agit d'une expérience de preuve de concept, les données du CTIM pourraient néanmoins être suffisamment bonnes pour être utilisées par les scientifiques. C'est ce qui s'est passé avec des détecteurs similaires construits par le NIST il y a quelques années pour surveiller l'irradiance spectrale du soleil (c'est-à-dire la quantité d'énergie rayonnée à chaque longueur d'onde). L'appareil, appelé Compact Spectral Irradiance Monitor (CSIM), était également une collaboration avec LASP.

"CSIM était également une preuve de concept", a déclaré Lehman. "Mais comme il s'est avéré avec CSIM, nous avons obtenu près de deux ans de données. Et ces données étaient suffisamment bonnes pour permettre aux scientifiques de redéfinir une norme. Nous espérons donc que cette expérience contribuera également à cette histoire."

Fourni par l'Institut national des normes et de la technologie