Um novo instrumento compacto permite medições de alta fidelidade de partículas energéticas em CubeSats

Uma equipe de cientistas e engenheiros patrocinados pela NASA desenvolveu uma nova abordagem para observar partículas de alta energia no ambiente espacial próximo à Terra, incorporando sensores miniaturizados em um instrumento compacto de detecção de partículas com múltiplas visualizações, diferente de qualquer outro anterior. Construído para a missão CubeSat de Perda Relativística de Elétrons Atmosféricos (REAL) da NASA, o instrumento inovador (também chamado REAL) permite medições mais completas de como as partículas energéticas são transportadas e perdidas no ambiente de radiação da Terra, abrindo a porta para uma melhor compreensão dos efeitos do clima espacial na órbita baixa da Terra (LEO), ao mesmo tempo que torna essas observações incomparáveis ​​acessíveis para futuras espaçonaves pequenas e de baixo custo.

Bilhões de partículas carregadas de alta energia estão magneticamente presas ao redor da Terra em regiões em forma de rosca chamadas cinturões de radiação de Van Allen. Esses cinturões normalmente formam duas zonas distintas: um cinturão interno dominado por prótons de alta energia e um cinturão externo composto principalmente de elétrons energéticos. Juntos, representam um perigo persistente para os satélites em toda a órbita da Terra, dos quais a sociedade moderna depende, incluindo satélites GPS e satélites que fornecem serviços de telefone e Internet. O cinturão externo, em particular, contém os chamados elétrons assassinos – partículas com energia suficiente para penetrar na blindagem do satélite e desencadear descargas elétricas prejudiciais ou anomalias operacionais.

Devido a estes riscos, os cientistas passaram décadas a trabalhar para melhor compreender e prever como os cinturões de radiação se comportam. Mas o que complica esse esforço é o quão dinâmicos eles podem ser, particularmente o cinturão externo, onde as populações de eletrões energéticos podem acumular-se e depois desaparecer rapidamente. Por vezes, estes electrões perdem-se das cinturas, por vezes mergulhando na atmosfera da Terra em micro-explosões que duram apenas 100 milissegundos, e outras vezes em eventos mais longos que se desenrolam ao longo de minutos a horas.

“As partículas de radiação podem ficar presas nas cinturas de Van Allen durante longos períodos, indo e voltando ao longo das linhas do campo magnético, mas se alguma interação as direcionar mais de perto ao longo das linhas do campo magnético da Terra, elas mergulham na atmosfera”, explicou Thomas Sotirelis, físico do Laboratório de Física Aplicada da Johns Hopkins, onde o instrumento REAL foi desenvolvido. Sotirelis é o criador do conceito de sensor do instrumento REAL e atua como cientista de instrumentos para a missão REAL.

Esses eventos de perda, conhecidos como precipitação energética de elétrons (EEP), representam uma das principais maneiras pelas quais os elétrons são perdidos dos cinturões de radiação e desempenham um papel importante em sua dinâmica. Mas embora os investigadores tenham identificado as ondas de plasma como prováveis ​​impulsionadores destes eventos, a física subjacente – por exemplo, se a dispersão de electrões ocorre gradualmente através de processos difusivos ou rapidamente através de interacções não lineares – ainda é incerta.

Lançado com sucesso em 23 de julho de 2025, o instrumento REAL pode distinguir entre esses modos potenciais, tornando possível investigar sua importância relativa e determinar quais ondas, se houver, são responsáveis ​​pela precipitação de elétrons. Aproveitando os avanços recentes na miniaturização de sensores, o instrumento inclui três cabeças de sensor – uma cabeça de baixa, média e alta energia com duas, cinco e quatro direções de visão simultâneas, respectivamente – integradas com quatro placas eletrônicas. Juntos, eles ocupam apenas cerca de metade do CubeSat REAL e usam uma resolução de tempo suficiente para resolver microexplosões de elétrons com energias variando de 40 keV a 2 MeV. À medida que o seu pai, 3U CubeSat, voa em LEO, o REAL aponta ao longo do campo magnético da Terra e pode medir simultaneamente a quantidade, a energia e o ângulo das partículas à medida que caem na atmosfera – uma capacidade inédita.

“A maioria dos CubeSats consegue observar partículas apenas numa única direção, por isso têm de girar para construir uma imagem completa – e isso demora alguns segundos, demasiado lento para capturar microexplosões”, disse a física espacial Robyn Millan do Dartmouth College, que atua como investigadora principal da missão REAL. “Com o REAL, conseguimos inserir três sensores, cada um com múltiplas direções de observação, na parte superior deste cabeçote de 100 por 100 milímetros, o que nos permitiu capturar todas essas medições de uma só vez. Estamos muito orgulhosos disso.”

A cabeça de alta energia consiste em um colimador de alumínio de 30 milímetros de espessura com quatro aberturas, cada uma abrangendo 20 graus de ângulo de inclinação. Cada abertura se conecta a uma área ativa em um detector de estado sólido (SSD) na base. O cabeçote de energia média usa de forma semelhante uma base SSD, mas em vez disso emprega cinco áreas ativas que se conectam a um colimador de alumínio de 22 milímetros de espessura com cinco aberturas, cada uma abrangendo 20 graus de ângulo de inclinação. A cabeça de baixa energia, por outro lado, é um analisador eletrostático em miniatura (ESA) que consiste em eletrodos de titânio imprensados ​​entre fendas seletoras de silício gravadas. Eles ficam no topo de uma placa de microcanais (MCP). A cabeça de baixa energia usa 36 aberturas, duas direções de observação (±40 graus) e 15 canais para medir elétrons com energias mais baixas, de 1 keV a 40 keV.

As medições resolvidas pelo ângulo de inclinação dessas diferentes direções de observação tornam possível distinguir entre populações de elétrons precipitados, quase aprisionados e aprisionados, em escalas de tempo tão curtas quanto 20 milissegundos, quantificando assim com mais precisão a taxa de perda de elétrons e seu impacto na atmosfera da Terra.

Tão importante quanto isso, esta nova capacidade demonstra que medições que antes exigiam missões grandes e com uso intensivo de recursos podem agora ser realizadas com instrumentos compactos e econômicos em pequenos satélites. Esta mudança permite conceitos e tecnologias de missão novos e mais complexos e abre caminho para constelações CubeSat que poderiam observar continuamente o ambiente de radiação da Terra e ajudar-nos a proteger melhor os sistemas espaciais dos quais a sociedade moderna depende.

Todas as três cabeças sensores do REAL ainda estão funcionando nominalmente e continuam a coletar dados científicos valiosos. Na verdade, a equipe REAL recentemente ajustou o instrumento (alterando as configurações de limite, etc.) para melhorar sua sensibilidade.

Líder(es) do projeto: Dr. Tom Sotirelis, Laboratório de Física Aplicada da Johns Hopkins; Dra. Robyn Millan, Dartmouth College

Organização(ões) patrocinadora(s): Programa Heliofísica de Oportunidades de Voo em Pesquisa e Tecnologia (H-FORT) da Divisão de Heliofísica da NASA