Proba-3 is zo'n ambitieuze missie dat er meer dan één ruimtevaartuig nodig is om te slagen. Om Proba-3's Coronagraph-ruimtevaartuig de zwakke omringende atmosfeer van de zon te laten observeren, moet het schijfdragende Occulter-ruimtevaartuig de vurige zonneschijf blokkeren. Dit betekent dat Proba-3's Occulter continu naar de zon gericht is, waardoor het op zichzelf al een waardevol platform voor de wetenschap is. Aan de zonzijde van de Occulter bevindt zich daarom een speciaal instrument dat continu de totale energie-output van de zon meet, bekend als de totale zonne-irradiantie, een essentiële variabele voor klimaatstudies. De Davos Absolute Radiometer (DARA), dat het formaat heeft van een schoendoos, is aan de missie geleverd door het Physical Meteorological Observatory Davos, PMOD, in Zwitserland.
“Onderzoekers hadden het vroeger over de 'zonneconstante', maar in feite verandert die altijd een beetje,” legt Wolfgang Finsterle, hoofdonderzoeker van DARA op het PMOD, uit. “En het is essentieel om de totale zonne-instraling bij te houden, want dat is de dominante energie-input aan het aardoppervlak. Het is ongeveer 99,978% van de energie die op aarde beschikbaar is, inclusief de opgeslagen zonne-energie in kolen en olie. Het stuurt alle dynamische processen van het klimaat op aarde, dus zelfs de kleinste variaties zijn enorm belangrijk.” Het in de bergen gevestigde PMOD bestudeert al meer dan een eeuw de totale zonne-instraling, eerst met instrumenten op de grond en vanaf de jaren 1970 met radiometers in de ruimte om een continue dataset te verkrijgen. De Wereld Meteorologische Organisatie heeft het PMOD gemandateerd als Wereld Stralingscentrum om stralingsmetingen te kalibreren voor wereldwijde VN-monitoringprogramma's. Wolfgang voegt hieraan toe: “De totale zonne-instraling varieert met de 11-jarige cyclus van zonneactiviteit, en een van de meest voor de hand liggende manieren om te zoeken naar energieafwijkingen op lange termijn is door de totale zonne-instraling te vergelijken tussen opeenvolgende zonneminimalia.
“Dit vereist een lange tijdreeks van gegevens, idealiter afkomstig van meerdere instrumenten, omdat afzonderlijke radiometers in gevoeligheid achteruitgaan door de harde ultraviolette straling van de zon waaraan ze voortdurend worden blootgesteld. Dit gezegd hebbende, is elke degradatie zeer geleidelijk: de radiometer aan boord van het ESA-NASA SOHO zonneobservatorium bijvoorbeeld, dat in 1995 werd gelanceerd, werkt nog steeds naar tevredenheid.” Het basisprincipe van de werking van DARA is eenvoudig. De radiometer heeft een holte met een diameter van 5 mm, gemaakt van zwartgeverfd zilver met een lage temperatuur emissiviteit. Gedurende 15 seconden verwarmt zonlicht de binnenkant van de holte, waarna een sluiter automatisch sluit bij de ingang. Gedurende de volgende 15 seconden handhaaft elektrische warmte de vorige temperatuur van de holte, en de energie die nodig is om deze temperatuur te handhaven wordt geëxtrapoleerd naar de eenheid van totale zonne-instraling die watt per vierkante meter is.
Dit proces gaat door gedurende de hele levensduur van het instrument, het ontwerp van de bediende sluiter in DARA is getest op miljoenen openingen en sluitingen in de vacuümkamer van PMOD. “DARA is een verbetering ten opzichte van eerdere radiometerontwerpen met een geoptimaliseerd ontwerp van de caviteit om ongewenst strooilicht te minimaliseren en een meerkanaals meetsysteem voor zelfkalibratie,” voegt Wolfgang toe. “Deze generatie instrumenten beschikt ook over een volledig digitale regelkring, waardoor het mogelijk is om te experimenteren met waarnemingen op hogere frequenties. Twee versies van dit radiometerontwerp hebben al gevlogen, merkt Werner Schmutz van PMOD op, die toezicht hield op de ontwikkeling: “Een compacte versie genaamd CLARA vloog in 2017 op Noway's NorSat-1 CubeSat en is nog steeds operationeel, terwijl een eerdere DARA wordt gebruikt aan boord van de Chinese FY-3E weersatelliet, die in 2021 wordt gelanceerd. We hebben dus veel vertrouwen in het ontwerp, dat kan werken wanneer de Proba-3 Occulter op de zon is gericht binnen een halve graad nauwkeurigheid.” Het belangrijkste verschil tussen Proba-3's DARA en eerdere radiometers zal zijn zeer langgerekte baan, die het 60 000 km boven het aardoppervlak zal brengen. DARA kan zich automatisch aanpassen aan kleine veranderingen in de grootte van de zonneschijf op basis van de afstand - die ook het gevolg zijn van de jaarlijkse elliptische baan van de aarde rond de zon. Het enige dat de radiometer hoeft te weten is zijn positie in de ruimte en de gegevensverzameling compenseert de verschuiving.
Het DARA-instrument - Foto: PMOD
Bron: ESA
