칩에서 우주의 햇빛 측정

2022년 11월 7일

작성자: Jennifer Lauren Lee, 국립표준기술연구소

40년 동안 사람들은 우주 기반 센서를 사용해 태양에서 나오는 빛의 양을 측정해 왔으며, 이를 통해 과학자들은 지구의 기후 변화에 대한 통찰력을 얻을 수 있었습니다.

지구의 기후 시스템에 전력을 공급하는 대부분의 에너지는 햇빛에서 나옵니다. 따라서 과학자들이 태양으로부터 지구에 닿는 에너지를 측정하고 지구에서 나가는 에너지도 측정하면 뒤에 얼마나 많은 에너지가 남아 있는지 확인할 수 있습니다.

과학자들은 우주에서 지구에 도달하는 햇빛을 측정합니다. 그들이 측정하는 양(TSI)은 자외선부터 가시광선, 적외선까지 태양에서 나오는 다양한 파장의 빛의 모든 에너지를 포함합니다.

그러나 현재 TSI를 모니터링하는 데 사용되는 장치는 구축 및 출시 비용이 비교적 비쌉니다. 이는 시간이 지남에 따라 TSI의 변화를 정확하게 평가하는 데 필요한 지속적이고 중단 없는 측정을 유지하는 과학자의 능력을 위험에 빠뜨립니다.

이제 미국 국립표준기술연구소(NIST)가 대기우주물리학연구소(LASP)와 협력하여 개발한 신기술을 통해 더 가볍고 저렴하면서도 정확한 장치를 제작하고 출시할 수 있게 되었습니다. 현재 TSI 측정에 사용되는 유사한 장비입니다. CTIM(Compact Total Irradiance Monitor)이라고 불리는 이 장비는 칩에 통합된 방사선 측정기의 일종으로 CubeSat라는 표준화된 소형 위성을 통해 우주로 발사됩니다.

NIST 칩 기반 CTIM은 연구자들에게 높은 정확도(불확실도 0.015%)와 안정성(연간 0.001% 미만의 드리프트(시간에 따른 측정값의 변화))를 제공해야 합니다.

이는 현재 햇빛을 측정하는 데 사용되는 조도 모니터와 비슷합니다. 그러나 새로운 센서는 제작 비용의 10분의 1에 불과하며 훨씬 더 작은 감지기를 우주로 발사하여 절감되는 비용은 포함되지 않습니다.

NIST의 존 레먼(John Lehman)은 "이 위성은 구상, 제작, 테스트 및 발사에 몇 년이 걸렸지만 이전 위성은 20년이 걸렸다"고 말했다. "우리는 이것이 기술적으로 큰 성공이라고 생각합니다. 이를 수행할 수 있는 상업용 탐지기는 없습니다."

프로토타입 탐지기는 올 여름에 출시되었으며 2년 동안 데이터를 수집할 예정입니다.

"이 시점에서 기본 탐지기는 CTIM CubeSat이 측정을 시작한 이후 100시간 이상 직접적인 태양 노출을 경험했습니다."라고 콜로라도 대학 볼더 캠퍼스의 수석 연구원이자 CTIM의 수석 연구원인 Dave Harber는 말합니다. "CTIM 팀은 현재 지금까지 수집된 데이터 분석을 마무리하고 있지만 초기 분석에 따르면 일반적으로 장비, 특히 NIST에서 제작한 탐지기가 탁월한 궤도 성능을 보이고 있는 것으로 나타났습니다."

이전 TSI 측정과 새 TSI 측정은 모두 볼로미터(볼로미터에서 발생하는 열로부터 들어오는 광학 방사선을 측정하는 감지기)를 사용하여 수행됩니다. 태양으로부터의 빛은 다양한 파장의 광학 에너지를 흡수하는 볼로미터에 닿습니다. 흡수된 에너지는 온도계를 가열합니다.

하지만 이 열은 직접 측정되지 않습니다. 대신, 이러한 장치는 일반적으로 전기 대체 원리를 사용합니다. 내장된 히터는 온도계의 온도를 임의의 양만큼 높입니다. 그런 다음 셔터가 열려 햇빛이 드러납니다. 태양으로부터 나오는 광학 복사는 온도계를 가열하고, 온도를 일정하게 유지하기 위해 피드백 메커니즘으로 인해 히터가 꺼집니다. 히터 전력이 얼마나 감소하는지에 따라 장치를 가열하기 위해 태양광의 광전력이 얼마나 흡수되었는지 알 수 있습니다.

현재 국제 우주 정거장에 부착되어 사용 중인 TSI 장치를 TSIS(Total and Spectral Solar Irradiance Sensor)라고 합니다. 상대적으로 무겁고 크며 거의 기숙사 냉장고 크기이므로 우주로 보내는 데 비용이 더 많이 듭니다.