Nowy Arctic Weather Satelita ESA, wyposażony we wzmacniacze Fraunhofera, ma na celu zrewolucjonizowanie prognozowania pogody i monitorowania klimatu w Arktyce za pomocą radiometrii mikrofalowej o wysokiej rozdzielczości.
The Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wystrzeliła satelitę Arctic Weather Satellite (AWS) na orbitę polarną 600 km nad Ziemią 16 sierpnia 2024 r. Na pokładzie AWS znajdują się cztery najnowocześniejsze wzmacniacze niskoszumne (LNA) z Instytutu Stosowanej Fizyki Półprzewodnika im. Fraunhofera IAF we Fryburgu. Są one niezbędnymi elementami pasywnego radiometru mikrofalowego, za pomocą którego AWS mierzy temperaturę i wilgotność w Arktyce z niespotykaną dotąd precyzją.
Dane przyczynią się do lepszego zrozumienia Arktyki i szczególnie widocznych w niej zmian klimatycznych. Jeśli misja zakończy się sukcesem, ESA planuje wystrzelić w przestrzeń kosmiczną globalną konstelację identycznych małych satelitów, aby umożliwić dokładniejsze i krótsze prognozy pogody (nowcasting) oraz obserwacje klimatu w skali globalnej.
Rola wzmacniaczy niskoszumowych
Zadaniem LNA w systemach technicznych jest poprawa jakości przychodzących sygnałów. Jak sugeruje ich nazwa, wzmacniają słabe sygnały, powodując jednocześnie jak najmniej szumów tła, dzięki czemu sygnały można łatwiej wykryć i przeanalizować. W ten sposób LNA zwiększają czułość systemów.
„Im mocniejszy jest wzmacniacz niskoszumowy, tym dokładniej i niezawodniej system może zbierać dane. Odgrywają one główną rolę w satelitarnych obserwacjach Ziemi, ponieważ promieniowanie mikrofalowe docierające do radiometru satelitarnego jest bardzo słabe” – wyjaśnia dr Fabian Thome, zastępca kierownika jednostki biznesowej elektroniki wysokiej częstotliwości w Fraunhofer IAF. „To wspaniałe potwierdzenie i motywacja, że dzięki naszym LNA przyczyniamy się do lepszych badań nad Arktyką i jej wpływem na globalny klimat”.
Zaawansowana technologia radiometru mikrofalowego
Radiometr mikrofalowy AWS składa się z obrotowej anteny, która wychwytuje naturalne promieniowanie mikrofalowe emitowane przez powierzchnię Ziemi i przekazuje je do czterech tubów zasilających i czterech odbiorników. Antena i odbiornik należą do jednej z czterech grup obejmujących łącznie 19 kanałów, które łącznie pokrywają spektrum częstotliwości od 50 do 325 GHz: Osiem kanałów o częstotliwościach od 50 do 58 GHz mierzy temperaturę, jeden kanał o częstotliwości 89 GHz wykrywa chmury, kolejny przy 165,5 GHz dotyczy zarówno chmur, jak i wilgotności, pięć kanałów od 176 do 182 GHz odpowiada tylko za wilgotność, podczas gdy cztery kanały przy 325 GHz plus/minus 1,2 do 6,6 GHz mierzą wilgotność, a także wykrywają chmury. Dzięki temu wyposażeniu technicznemu radiometr jest w stanie tworzyć pionowe profile wilgotności i temperatury o wysokiej rozdzielczości w każdych warunkach pogodowych.
Firma Fraunhofer IAF dostarczyła w sumie cztery LNA dla trzech z czterech grup kanałów: jeden moduł dla zakresu częstotliwości około 54 GHz, dwa identyczne moduły dla 89 GHz, które połączono szeregowo w celu większego ogólnego wzmocnienia oraz jeden moduł dla 170 GHz Zakres GHz. Naukowcy udoskonalili sprawdzone technologie oparte na złożonym półprzewodniku arsenku indu i galu (InGaAs) oraz stworzyli metamorficzne tranzystory o dużej ruchliwości elektronów (mHEMT) do monolitycznych mikrofalowych układów scalonych (MMIC).
Najnowocześniejsza technologia tranzystorowa
„Fraunhofer IAF jest światowym liderem w rozwoju tranzystorów i obwodów do systemów radiometrii satelitarnej. Nasze moduły definiują najnowocześniejsze rozwiązania w wielu obszarach wydajności” – podkreśla Thome. Można to również zobaczyć przykładowo w modułach radiometrów AWS: W testach LNA dla zakresu częstotliwości około 54 GHz uzyskało współczynnik szumów od 1,0 do 1,2 dB przy wzmocnieniu od 31 do 28 dB, co znacznie poprawiło stan techniki . Przy współczynnikach szumów na poziomie 1,9–2,3 dB przy wzmocnieniu 23–25 dB (89 GHz) i 3,3–4,1 dB przy wzmocnieniu 25–30 dB, pozostałe AWS LNA mieszczą się dokładnie w zakresie obecnego stanu techniki (John i in. 2023).
Przy opracowywaniu modułów badacze ściśle współpracowali z bezpośrednim klientem ACC Omnisys (AAC Clyde Space) ze Szwecji, który zbudował system radiometryczny dla OHB Szwecja i ESA. Fraunhofer IAF mógł wykorzystać swoją infrastrukturę badawczą i wiedzę swoich pracowników w całym łańcuchu wartości przy opracowywaniu i produkcji modułów: Zespoły z dziedzin mikroelektroniki, epitaksji, technologii i mechaniki precyzyjnej ściśle ze sobą współpracowały i wykonały wszystkie kluczowe etapy, od projektu obwodów, przez wzrost materiału, przetwarzanie i pomiary, a także technologię procesową, separację, technologię montażu, aż po budowę modułów i integrację, aż moduły LNA będą gotowe do użycia. W instytucie odbyła się także wstępna kwalifikacja modułów do zastosowania w kosmosie, przed przekazaniem sprzętu do integracji z odbiornikiem.
W stronę bardziej precyzyjnych danych pogodowych i klimatycznych
Misją AWS jest po raz pierwszy zebranie dokładniejszych danych o pogodzie w Arktyce, co umożliwi tworzenie krótkoterminowych prognoz dla regionu polarnego – w tym tzw. nowcastingu, czyli prognoz na najbliższe godziny. Ponieważ Arktyka ma silny wpływ na globalną pogodę, dane umożliwiają również lepsze globalne prognozy pogody. Dotyczy to również klimatu: zmiany klimatyczne postępują w Arktyce szybciej niż w innych regionach świata. Jednocześnie zmiany w Arktyce mają wpływ na globalny klimat w wyniku efektu sprzężenia zwrotnego.
Przyszłość kosmicznych systemów pogodowych
Jeśli się powiedzie, cała konstelacja identycznych małych satelitów będzie podążać za AWS: EUMETSAT Polar System — Sterna (EPS-Sterna). Plan zakłada umieszczenie sześciu satelitów na trzech różnych orbitach jednocześnie w celu gromadzenia długoterminowych danych pogodowych z regionów polarnych. Zestaw satelitarny będzie trzykrotnie odnawiany, tak aby w czasie misji korzystać łącznie z 18 satelitów. W ramach wymiany planowane są dwa satelity. Pierwszy z sześciu satelitów EPS-Sterna ma zostać wystrzelony w 2029 roku.
Nowe podejście do przestrzeni kosmicznej i zalety projektu
W ramach tego projektu ESA po raz pierwszy stosuje podejście New Space. New Space charakteryzuje się realizacją projektów w możliwie najkrótszym czasie przy znacznie mniejszych zasobach. W przypadku AWS, którego całkowita masa wynosi zaledwie 150 kg, od rozpoczęcia projektu do wystrzelenia rakiety minęły zaledwie trzy lata, podczas których poniesiono ułamek kosztów w porównaniu z poprzednimi projektami. Dalsze zalety New Space to większa odporność konstelacji – awaria satelity w sieci może zostać szybko i tanio zrekompensowana lub wymieniona – oraz elastyczność misji, które w razie potrzeby można wydłużać lub skracać, bez zużywania dużej ilości energii zasoby.
