Учёные поняли, почему датчики солнечных зондов запотевают
Космические зонды, предназначенные для изучения Солнца, — это последнее место, где можно ожидать проблем с избыточной влажностью. Однако недавнее исследование, опубликованное в журнале Solar Physics, показало, что алюминиевые фильтры на двух разных спутниках разрушаются из-за того, что вода разъедает их поверхность.
Фильтры помогают обнаруживать экстремальное ультрафиолетовое излучение (EUV), поэтому любое помутнение может повлиять на их эффективность. Хотя эта проблема проявилась уже давно, только теперь учёные поняли, что стало её причиной.
Обсерватория солнечной динамики НАСА (SDO, запущенная в 2010 году) и Солнечная и гелиосферная обсерватория НАСА и Европейского космического агентства (SOHO, запущенная в 1995 году) столкнулись с одной и той же проблемой. За первые шесть месяцев деградация инструмента наблюдения за EUV составила примерно 35%; за пять последующих лет он деградировал на 60%.
Солнечные зонды недёшевы, как и запуск ежегодных миссий по перекалибровке для отправки в космос новых датчиков. Было необходимо выяснить причины помутнения фильтров для повышения надёжности будущих миссий солнечных зондов.
В 2021 году группа учёных под руководством физика Чарльза Таррио из Национального института стандартов и технологий (NIST) экспериментально выяснила, что гипотеза о скоплении углерода на датчиках, из-за которого должно было происходить помутнение, на самом деле неверна.
В ходе дополнительных исследований выяснилось нечто удивительное: окисление алюминия вызывают вода и ультрафиолетовое излучение. По мере накопления слоёв окисленного металла фильтр тускнеет, не пропуская световые волны, которые и должен фиксировать датчик.
Поверхность алюминия обычно естественным образом покрывается оксидом, который образуется, когда атомы кислорода соединяются с атомами поверхности алюминия. Ультрафиолетовый свет увеличивает скорость окисления, вызывая образование дополнительных слоёв оксида. Обычно в космосе не так много кислорода, чтобы он мог соединиться с алюминием, но присутствие воды, которая содержит атомы кислорода, может стать решающим фактором.
Чтобы проверить гипотезу о воде, исследователи использовали установку синхротронного ультрафиолетового излучения (SURF) NIST для генерации ультрафиолетового излучения и направили его на алюминиевый фильтр в вакуумной камере, в которую был введён водяной пар.
В своих экспериментах Таррио и его команда действительно обнаружили слой оксида на алюминиевом образце, который был намного толще, чем предполагалось общепринятой теорией, хотя и не такой толстый, как на солнечных зондах. Моделирование, однако, показало, что при достаточном воздействии — около 10 месяцев — они могли бы получить слой оксида, сравнимый с алюминиевыми фильтрами на космических зондах.
Следующим вопросом было — откуда же в зонде взялась вода? «Это должно быть что-то, что может выделять воду в течение пяти лет достаточно непрерывно», — сказал Таррио. И учёные нашли ответ. Виновником оказался материал теплового одеяла, используемый для защиты тонких приборов зонда от экстремальных температур. Они сделаны из слоёв тонкого листа полиэтилентерефталата (ПЭТ), покрытого металлом, который отражает большую часть тепла, попадающего на материал.
Однако ПЭТ известен тем, что впитывает и удерживает воду из атмосферы. Поэтому он отправляется в космос со всей этой водой, а затем, когда солнечное тепло попадает на него, вода испаряется и медленно гаснет, попадая в космический корабль и вызывая окисление алюминиевого EUV-фильтра. «Было трудно, — говорит Берг, — придумать что-то ещё, что могло бы удержать такое количество воды».
В дальнейшей работе команда надеется изучить способы предотвращения этого окисления, будь то защита алюминия или разработка нового фильтра, способного работать в требуемом диапазоне длин волн.
