Sinds astronomen voor het eerst telescopen begonnen te gebruiken om de hemel beter te kunnen zien, worstelden ze met een eenvoudig raadsel. Naast vergroting moeten telescopen ook de kleine details van een object kunnen oplossen om ons te helpen ze beter te begrijpen. Om dit te doen, moeten steeds grotere lichtverzamelende spiegels worden gebouwd, waarvoor instrumenten van grotere omvang, kosten en complexiteit nodig zijn.
Wetenschappers van het Space Flight Center van NASA Goddard werken echter aan een goedkoop alternatief. In plaats van te vertrouwen op grote en onpraktische telescopen met een groot diafragma, hebben ze een apparaat voorgesteld dat kleine details kan oplossen terwijl het een fractie van de grootte is. Het staat bekend als de fotonzeef en wordt speciaal ontwikkeld om de corona van de zon in het ultraviolet te bestuderen.
Kortom, de fotonzeef is een variatie op de Fresnel-zoneplaat, een vorm van optica die bestaat uit dicht op elkaar geplaatste sets ringen die afwisselen tussen het transparante en het ondoorzichtige. In tegenstelling tot telescopen die licht focussen door middel van refractie of reflectie, zorgen deze platen ervoor dat licht door transparante openingen diffracteert. Aan de andere kant overlapt het licht en wordt het vervolgens op een specifiek punt scherpgesteld, waardoor een beeld ontstaat dat kan worden opgenomen.
De fotonzeef werkt volgens dezelfde basisprincipes, maar met een iets meer verfijnde twist. In plaats van dunne openingen (dat wil zeggen Fresnel-zones), bestaat de zeef uit een ronde siliciumlens die is bezaaid met miljoenen kleine gaatjes. Hoewel zo'n apparaat potentieel nuttig zou kunnen zijn bij alle golflengten, ontwikkelt het Goddard-team specifiek de fotonzeef om een 50 jaar oude vraag over de zon te beantwoorden.
In wezen hopen ze de corona van de zon te bestuderen om te zien welk mechanisme het verwarmt. Al geruime tijd weten wetenschappers dat de corona en andere lagen van de atmosfeer van de zon (de chromosfeer, het overgangsgebied en de heliosfeer) aanzienlijk heter zijn dan het oppervlak. Waarom dit zo is, is een mysterie gebleven. Maar misschien niet veel langer.
Zoals Doug Rabin, de leider van het Goddard-team, zei in een NASA-persbericht:
“Dit is al een succes… Al meer dan 50 jaar is de centrale onbeantwoorde vraag in de zonne-coronale wetenschap geweest te begrijpen hoe energie die van onderaf wordt getransporteerd de corona kan verwarmen. Huidige instrumenten hebben ruimtelijke resoluties die ongeveer 100 keer groter zijn dan de kenmerken die moeten worden waargenomen om dit proces te begrijpen. ”
Met steun van het onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma van Goddard heeft het team al drie zeven gemaakt, die allemaal een diameter van 7,62 cm (3 inch) hebben. Elk apparaat bevat een siliciumwafel met 16 miljoen gaten, waarvan de afmetingen en locaties werden bepaald met behulp van een fabricagetechniek genaamd fotolithografie - waarbij licht wordt gebruikt om een geometrisch patroon van een fotomasker naar een oppervlak over te brengen.
Op de lange termijn hopen ze echter een zeef te maken met een diameter van 1 meter (3 voet). Met een instrument van deze omvang geloven ze dat ze in het ultraviolet een tot 100 keer betere hoekresolutie kunnen bereiken dan NASA's ruimtetelescoop met hoge resolutie - de Solar Dynamics Observatory. Dit zou net genoeg zijn om antwoorden te krijgen op de corona van de zon.
Ondertussen is het team van plan om te testen of de zeef in de ruimte kan werken, een proces dat minder dan een jaar in beslag zou nemen. Dit zal omvatten of het al dan niet de intense g-krachten van een ruimtelancering kan overleven, evenals de extreme omgeving van de ruimte. Andere plannen zijn onder meer het combineren van de technologie met een reeks CubeSats, zodat een formatievliegende missie met twee ruimtevaartuigen kan worden gemonteerd om de corona van de zon te bestuderen.
Naast het werpen van licht op de mysteries van de zon, zou een succesvolle fotonzeef de optiek zoals wij die kennen kunnen revolutioneren. In plaats van gedwongen te worden om enorme en dure apparaten de ruimte in te sturen (zoals de Hubble-ruimtetelescoop of de James Webb-telescoop), zouden astronomen alle hoge resolutiebeelden die ze nodig hebben, kunnen krijgen van apparaten die klein genoeg zijn om aan boord van een satelliet te blijven die niet meer meet dan een paar vierkante meter.
Dit zou nieuwe locaties openen voor ruimteonderzoek, waardoor particuliere bedrijven en onderzoeksinstellingen gedetailleerde foto's kunnen maken van verre sterren, planeten en andere hemellichamen. Het zou ook een andere cruciale stap zijn in het betaalbaar en toegankelijk maken van ruimteverkenning.
