Слева: Магнитное поле Юпитера дает представление о его внутреннем составе, структуре, динамике и даже истории его эволюции. Справа: Изображение первого прототипа кристалла твердотельного магнитометра 4H-SiC (2 мм на 2 мм), разработанного NASA-GRC. Каждый золотой прямоугольник или квадрат на поверхности представляет собой отдельный датчик, наименьший из которых имеет размер 10 микрон на 10 микрон. Кредит: NASA
Магнитные поля есть повсюду в нашей солнечной системе. Они исходят от солнца, планет и лун и переносятся по межпланетному пространству солнечным ветром. Именно поэтому магнитометры — устройства, используемые для измерения магнитных полей — используются почти во всех космических миссиях, чтобы приносить пользу научным сообществам Земли, планет и гелиофизики и в конечном итоге обогащать знания для всего человечества.
Эти приборы способны дистанционно исследовать внутреннюю часть планетарного тела, чтобы получить представление о его внутреннем составе, структуре, динамике и даже эволюции на основе магнитной истории, замороженной в слоях коры тела.
Магнитометры могут даже обнаружить скрытые океаны в нашей Солнечной системе и помочь определить их соленость, тем самым давая представление о потенциальной пригодности для жизни этих ледяных миров.
Fluxgates являются наиболее широко используемыми магнитометрами для миссий в космосе благодаря своей проверенной производительности и простоте. Однако обычные размеры, вес и мощность (SWaP) приборов fluxgate могут ограничивать их использование на небольших платформах, таких как CubeSats, а иногда и количество датчиков, которые могут использоваться на космическом аппарате для межсенсорной калибровки, резервирования и удаления магнитного поля космического аппарата.
Традиционно для удаления феррозондовых магнитометров от загрязняющего магнитного поля, создаваемого самим космическим аппаратом, используется длинная стрела, и по крайней мере два датчика используются для характеристики спада этого вклада поля, чтобы его можно было удалить из измерений. Феррозонды также не обеспечивают абсолютного измерения, что означает, что их необходимо регулярно калибровать в космосе посредством кренов космического аппарата, что может быть затратным по времени и ресурсам.
Группа специалистов из Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии объединилась с Исследовательским центром Гленна НАСА в Кливленде, штат Огайо, для создания прототипа нового магнитометра, называемого магнитометром на основе карбида кремния (SiC), или SiCMag, который может изменить способ измерения магнитных полей в космосе.
SiCMag использует твердотельный датчик, изготовленный из полупроводника карбида кремния (SiC). Внутри датчика SiC находятся квантовые центры — намеренно введенные дефекты или неровности в атомном масштабе — которые вызывают сигнал магнитосопротивления, который можно обнаружить, отслеживая изменения электрического тока датчика, которые указывают на изменения силы и направления внешнего магнитного поля.
Эта новая технология потенциально может быть невероятно чувствительной и благодаря большой ширине запрещенной зоны (т. е. энергии, необходимой для освобождения электрона из связанного состояния, чтобы он мог участвовать в электропроводности) способна работать в широком диапазоне экстремальных температур и жестких радиационных условиях, которые обычно встречаются в космосе.
Член команды Дэвид Спри из NASA Glenn отмечает: «Материал SiC не только отлично подходит для измерения магнитного поля, но здесь, в NASA Glenn, мы продолжаем разрабатывать надежную электронику на основе SiC, которая работает в условиях высоких температур, значительно превышающих верхние температурные ограничения кремниевой электроники. Эти технологии на основе SiC когда-нибудь позволят проводить долгосрочные роботизированные научные исследования поверхности Венеры, температура которой составляет 460 °C».
SiCMag также очень мал — площадь сенсора составляет всего 0,1 x 0,1 мм, а компенсационные катушки меньше пенни. Следовательно, десятки сенсоров SiCMag могут быть легко установлены на космическом аппарате, чтобы лучше удалять сложное загрязняющее магнитное поле, создаваемое космическим аппаратом, уменьшая необходимость в длинной стреле для удаления сенсоров от космического аппарата, как это реализовано на большинстве космических аппаратов, включая Psyche (см. рисунок ниже).
Линии магнитного поля, связанные с космическим аппаратом Psyche, смоделированные из более чем 200 отдельных магнитных источников. Удаление этого вклада магнитного поля из измерений обычно требует использования двух датчиков fluxgate на длинной стреле. Включение 4 или более датчиков SiCMag в такой сценарий значительно уменьшит размер требуемой стрелы или даже полностью устранит необходимость в стреле. Кредит: Адаптировано из
SiCMag имеет ряд преимуществ по сравнению с феррозондами и другими типами традиционных магнитометров, включая те, которые основаны на оптически накачиваемых атомных парах. SiCMag — это простой прибор, который не зависит от оптики или высокочастотных компонентов, чувствительных к колебаниям температуры.
Низкий SWaP SiCMag также позволяет размещать его на небольших платформах, таких как CubeSats, что позволяет проводить одновременные пространственные и временные измерения магнитного поля, которые невозможны с помощью одного крупномасштабного космического аппарата. Эта возможность позволит проводить картографирование планетарного магнитного поля и мониторинг космической погоды с помощью созвездий CubeSats.
Многоплатформенные измерения также были бы очень полезны на поверхности Луны и Марса для картирования магнитного поля земной коры, определения состава и изучения магнитной истории этих тел.
SiCMag обладает истинной способностью считывать магнитное поле в нулевом поле (т. е. SiCMag может измерять чрезвычайно слабые магнитные поля), что недостижимо для большинства обычных атомных паровых магнитометров из-за необходимого минимального магнитного поля для работы датчика. И поскольку несущие спин электроны в SiCMag связаны в квантовых центрах, они не покинут датчик, что означает, что они хорошо подходят для многолетних путешествий к ледяным гигантам или к краям гелиосферы.
Эта возможность также является преимуществом оптического эквивалента SiCMag, OPuS-MAGNM, оптически накачиваемого твердотельного квантового магнитометра, разработанного Ханнесом Краусом и усовершенствованного Андреасом Готтшоллем из группы твердотельной магнитометрии JPL. SiCMag имеет преимущество в том, что он чрезвычайно прост, в то время как OPuS-MAGNM обещает иметь более низкие шумовые характеристики, но использует сложные оптические компоненты.
По словам доктора Андреаса Готтшолля, «SiCMag и OPuS-MAGNM на самом деле очень похожи. Прогресс в одной сенсорной системе напрямую трансформируется в преимущества для другой. Таким образом, усовершенствования в конструкции и электронике продвигают оба проекта, фактически удваивая отдачу от наших усилий, при этом мы по-прежнему гибки для различных приложений».
SiCMag обладает способностью к самокалибровке благодаря своей абсолютной сенсорной способности, что является существенным преимуществом в удаленной космической среде. SiCMag использует спектроскопическую калибровочную технику, которую также используют атомные паровые магнитометры, называемую магнитным резонансом (в случае SiCMag магнитный резонанс обнаруживается электрически), для измерения частоты прецессии электронов, связанных с квантовыми центрами, которая напрямую связана с магнитным полем, в которое погружен датчик.
Это соотношение является фундаментальной физической константой по своей природе, которая не меняется в зависимости от времени или температуры, что делает реакцию идеальной для калибровки измерений датчика.
«Если нам удастся достичь желаемого улучшения чувствительности, которое мы ожидаем, используя более чистые изотопы материалов, SiC может изменить способ, которым обычно выполняется магнитометрия в космосе, благодаря привлекательной функции SWaP, надежности и способности прибора к самокалибровке», — говорит доктор Кори Кокрейн из JPL, главный исследователь технологии SiCMag.
С 2016 года НАСА финансирует исследования этой группы по созданию твердотельного квантового магнитометра в рамках программы PICASSO (Концепции планетарных приборов для совершенствования наблюдений за Солнечной системой).
Это исследование также поддерживают различные отечественные партнеры из промышленности и академических кругов, включая Исследовательский центр Гленна НАСА в Кливленде, Университет штата Пенсильвания, Университет Айовы, QuantCAD LLC, а также международные партнеры, такие как Японский центр исследований квантовых материалов и приложений (QUARC) и Infineon Technologies.
