IEEE-Websites platzieren Cookies auf Ihrem Gerät, um Ihnen die beste Benutzererfahrung zu bieten.Durch die Nutzung unserer Websites stimmen Sie der Platzierung dieser Cookies zu.Um mehr zu erfahren, lesen Sie unsere Datenschutzrichtlinie.Jetzt im Orbit: Unser neuester Satellit, Iris, startete im September und wurde Anfang des Jahres elektromagnetischen Tests unterzogen. Foto: GHGSatIm Januar 2019 geschah etwas Neues im Weltraum. Zum ersten Mal wurde ein zuvor unbekanntes Erdgasleck aus dem Orbit von einem Mikrosatelliten entdeckt und dann aufgrund dieser Entdeckung verstopft.Der Mikrosatellit Claire flog seit 2016. An diesem Tag überwachte Claire den Ausstoß eines Schlammvulkans in Zentralasien, als er eine Methanfahne ausspionierte, wo keine sein sollte.Unser Team bei GHGSat in Montreal wies das Raumschiff an, über den Ursprung der Wolke zu schwenken und sie einzukreisen, die sich als Anlage in einem Öl- und Gasfeld in Turkmenistan herausstellte.Die Notwendigkeit, Methanlecks aufzuspüren, war noch nie so wichtig.In der Katastrophe des Klimawandels in Zeitlupe erhalten Methanemissionen weniger öffentliche Aufmerksamkeit als das Kohlendioxid aus Schornsteinen und Auspuffrohren.Aber Methan – das hauptsächlich aus der Produktion fossiler Brennstoffe, aber auch aus der Viehzucht und anderen Quellen stammt – hat einen übergroßen Einfluss.Methan fängt Molekül für Molekül 84-mal so viel Wärme in der Atmosphäre ein wie Kohlendioxid und macht etwa ein Viertel des Anstiegs der Atmosphärentemperatur aus.Schlimmer noch, Untersuchungen von Anfang dieses Jahres zeigen, dass wir die freigesetzte Menge möglicherweise enorm unterschätzen – um bis zu 25 bis 40 Prozent.Seit fast 20 Jahren sind Satelliten in der Lage, Treibhausgase wie Methan und Kohlendioxid aus dem Weltraum zu sehen, aber es bedurfte eines Zusammenflusses von Bedarf und technologischer Innovation, um solche Beobachtungen praktisch und genau genug zu machen, um sie gewinnbringend durchzuführen.Durch clevere Technik und ein fokussierteres Ziel ist es unserem Unternehmen gelungen, einen 15-Kilogramm-Mikrosatelliten zu bauen und Detektionsleistungen zu vollbringen, die zuvor nicht möglich waren, selbst mit einem 1.000-kg-Raumschiff im Wert von 100 Millionen US-Dollar.Diese wissenschaftlichen Giganten machen ihre Arbeit bewundernswert, aber sie betrachten die Dinge im Kilometermaßstab.Claire kann Methanemissionen bis auf mehrere zehn Meter auflösen.Ein Verschmutzer (oder jeder andere) kann also nicht nur feststellen, um welches Gasfeld es sich handelt, sondern auch um welches Bohrloch in diesem Feld.Auge in den Himmel: Der Mikrosatellit Claire hat in den letzten vier Jahren eine Reihe von Methanwolken entdeckt, darunter an den folgenden Orten: 1) in der Balkanregion im Westen Turkmenistans;2) eine Gasanlage im Autonomen Kreis der Jamal-Nenzen im Nordwesten Sibiriens;3) das Perm-Becken im Westen von Texas;4) der Lom Pangar Damm im Osten Kameruns;und 5) eine Kohlemine in Shanxi, China. Bilder: GHGSatSeit dem Start von Claire, unserem ersten Mikrosatelliten, haben wir sowohl die Kerntechnologie – eine miniaturisierte Version eines Instruments, das als Weitwinkel-Fabry-Pérot-Bildgebungsspektrometer bekannt ist – als auch das Raumfahrzeug selbst verbessert.Unser zweiter nach Methan suchender Satellit namens Iris wurde im vergangenen September gestartet, und ein dritter soll noch vor Ende des Jahres in die Luft gehen.Wenn wir fertig sind, wird es keinen Ort auf der Erde geben, an dem sich Methanlecks verstecken könnten.Die Gründung von Claire und seinen Geschwistern wurde von einem Geschäftsszenario und einer technologischen Herausforderung vorangetrieben.Der geschäftliche Teil entstand Mitte 2011, als Quebec (die Heimatprovinz von GHGSat) und Kalifornien jeweils ankündigten, dass sie ein marktbasiertes „Cap and Trade“-System einführen würden. Die Systeme würden jeder Tonne CO2, die von der Industrie emittiert wird, einen Wert zuordnen großen Emittenten würde eine bestimmte Anzahl Tonnen Kohlenstoff – oder das Äquivalent in Methan und anderen Treibhausgasen – zugeteilt, die sie jedes Jahr in die Atmosphäre freisetzen könnten Im Laufe der Zeit könnten die Regierungen die Gesamtzuteilung verringern, um damit zu beginnen, die Treiber des Klimawandels zu reduzieren.Sogar im Jahr 2011 gab es einen breiteren, mehrere Milliarden Dollar schweren Markt für CO2-Emissionen, der stetig wuchs, da immer mehr Gerichtsbarkeiten Steuern einführten oder CO2-Handelsmechanismen einführten.Bis 2019 deckten diese CO2-Märkte 22 Prozent der weltweiten Emissionen ab und brachten den Regierungen 45 Milliarden US-Dollar ein, so der State and Trends of Carbon Pricing 2020 der Weltbank.Trotz dieser Milliarden ist es Methan, nicht Kohlendioxid, das zum Brennpunkt unserer Systeme geworden ist.Ein Grund ist technischer Natur – unser ursprüngliches Instrument war besser auf Methan abgestimmt.Aber der geschäftliche Grund ist der einfachere: Methan hat einen Wert, unabhängig davon, ob es ein Handelssystem für Treibhausgase gibt oder nicht.Märkte für Treibhausgase motivieren die Betreiber von Industriestandorten, ihre Emissionen besser zu messen, um sie kontrollieren und letztendlich reduzieren zu können.Bestehende, meist bodengestützte Methoden, die Systeme wie Flusskammern, Eddy-Kovarianz-Türme und optische Gasbildgebung verwenden, waren ziemlich teuer, von begrenzter Genauigkeit und unterschiedlich in ihrer geografischen Verfügbarkeit.Die Wette unseres Unternehmens war, dass Industrieunternehmen zu einer einzigen, kostengünstigeren und präziseren Lösung greifen würden, mit der Treibhausgasemissionen von einzelnen Industrieanlagen überall auf der Welt erkannt werden können.Sehr stolze Eltern: Das Team des Space Flight Laboratory in Toronto mit einem brandneuen 15-Kilogramm-Mikrosatelliten zur Messung von Methan.Foto: GHGSatAls wir uns für unseren Businessplan entschieden hatten, war die einzige Frage: Können wir das machen?Ein Teil der Frage wurde bis zu einem gewissen Grad bereits durch bahnbrechende Weltraummissionen wie die europäische Envisat (die von 2002 bis 2012 operierte) und die japanische GOSat (gestartet 2009) beantwortet.Diese Satelliten messen oberflächennahe Spurengase mit Spektrometern, die Sonnenlicht sammeln, das von der Erde gestreut wird.Die Spektrometer zerlegen das einfallende Licht nach Wellenlängen.Moleküle im Lichtweg absorbieren ein bestimmtes Wellenlängenmuster und hinterlassen dunkle Bänder im Spektrum.Je größer die Konzentration dieser Moleküle, desto dunkler die Banden.Diese Methode kann Methankonzentrationen aus dem Orbit mit einer Genauigkeit messen, die besser als 1 Prozent der Hintergrundwerte ist.Während diese Satelliten das Konzept der Methanverfolgung bewiesen, war ihre Technologie weit von dem entfernt, was wir brauchten.Zum einen sind die Instrumente riesig.Der Spektrometerteil von Envisat, genannt SCIAMACHY (SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY), enthielt fast 200 kg komplexer Optik;Das gesamte Raumschiff trug acht weitere wissenschaftliche Instrumente und wog 8,2 Tonnen.GOSat, das der Treibhausgasmessung gewidmet ist, wiegt 1,75 Tonnen.Darüber hinaus wurden diese Systeme entwickelt, um Gaskonzentrationen auf dem gesamten Planeten schnell und wiederholt zu messen, um Informationen für die globale Klimamodellierung zu liefern.Ihre Instrumente scannen riesige Landstriche und durchschnittliche Treibhausgaswerte über Dutzende oder Hunderte von Quadratkilometern.Und das ist viel zu grob, um einen Industriestandort zu lokalisieren, der für unerwünschte Emissionen verantwortlich ist.Um unsere Ziele zu erreichen, mussten wir etwas entwickeln, das das erste seiner Art war – einen umlaufenden hyperspektralen Imager mit einer räumlichen Auflösung von mehreren zehn Metern.Und um es für den Start erschwinglich genug zu machen, mussten wir es in ein 20 x 20 x 20 Zentimeter großes Paket packen.Die wichtigste Technologie zur Erfüllung dieser Einschränkungen war unser Spektrometer – das Weitwinkel-Fabry-Pérot-Etalon (WAF-P).(Ein Etalon ist ein Interferometer, das aus zwei teilweise reflektierenden Platten besteht.) Damit Sie verstehen, was das ist, müssen wir zunächst einen gebräuchlicheren Spektrometertyp erklären und erklären, wie er in einem hyperspektralen Bildgebungssystem funktioniert.Der Satellit misst, wie eine Gaswolke [rosa] Teile des Spektrums des reflektierten Sonnenlichts absorbiert.Das beteiligte Schlüsselinstrument wird als Weitwinkel-Fabry-Pérot-Etalon bezeichnet.Rechts: Zwei Infrarotstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge, die von verschiedenen Punkten auf dem Boden zum Satelliten [oben] streifen, treten in unterschiedlichen Winkeln in den Satelliten ein.Die hyperspektrale Bildgebung erfasst einen breiten Bereich von Wellenlängen, von denen einige natürlich jenseits des Sichtbaren liegen.Um eine solche Erkennung zu erreichen, benötigen Sie sowohl ein Spektrometer als auch einen Imager.Die Spektrometer in SCIAMACHY basieren auf Beugungsgittern.Ein Beugungsgitter streut das einfallende Licht in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge – so wie ein Prisma das Spektrum des weißen Lichts zu einem Regenbogen auffächert.Bei weltraumgestützten hyperspektralen Bildgebungssystemen wird eine Dimension des Bildgebers für die spektrale Dispersion und die andere für die räumliche Bildgebung verwendet.Indem Sie einen schmalen Schlitz einer Szene in der richtigen Ausrichtung abbilden, erhalten Sie an jedem Punkt entlang dieses dünnen Landstreifens ein Spektrum.Während sich das Raumfahrzeug fortbewegt, können aufeinanderfolgende Streifen abgebildet werden, um ein zweidimensionales Array von Punkten zu bilden, denen jeweils ein volles Spektrum zugeordnet ist.Wenn das einfallende Licht durch ein Gas – sagen wir die Erdatmosphäre – in einer mit Methan verunreinigten Region gegangen ist, sollten bestimmte Bänder im infraroten Teil dieses Spektrums dunkler sein als sonst in einem für diese Chemikalie charakteristischen Muster.Ein solches Spektralabbildungssystem funktioniert gut, aber es ist aus mehreren Gründen herausfordernd, es kompakt zu machen.Eine Herausforderung ist die Notwendigkeit, optische Aberrationen zu minimieren, um ein scharfes Bild von Bodenmerkmalen und Emissionsfahnen zu erhalten.Bei der Fernerkundung wird die Signalstärke (und damit das Signal-Rausch-Verhältnis) jedoch von der Aperturgröße gesteuert, und je größer diese ist, desto schwieriger ist es, Aberrationen zu minimieren.Das Hinzufügen eines dispersiven Gitters zu dem System führt zu zusätzlicher Komplexität im optischen System.Ein Fabry-Pérot-Etalon kann trotz gewisser überwindbarer Nachteile viel kompakter sein, ohne dass ein komplexes Abbildungssystem erforderlich ist.Es handelt sich im Wesentlichen um zwei teilweise verspiegelte Glasstücke, die sehr eng zusammengehalten werden, um einen reflektierenden Hohlraum zu bilden.Stellen Sie sich einen Lichtstrahl einer bestimmten Wellenlänge vor, der in einem leichten Winkel durch einen der Spiegel in den Hohlraum eintritt.Ein Bruchteil dieses Strahls würde durch den Hohlraum flitzen, direkt durch den anderen Spiegel hindurch und weiter zu einer Linse, die ihn auf ein Pixel auf einem in kurzer Entfernung platzierten Bildgeber fokussiert.Der Rest dieses Lichtstrahls würde zum Vorderspiegel zurückprallen und dann zum Rückspiegel.Wieder würde ein kleiner Bruchteil passieren, der Rest würde weiter zwischen den Spiegeln hin- und herspringen, und der Vorgang würde sich wiederholen.All das Herumspringen vergrößert die Lichtwege zum Pixel hin.Wenn der Winkel des Lichts und seine Wellenlänge einem bestimmten Verhältnis zum Abstand zwischen den Spiegeln gehorchen, wird all dieses Licht konstruktiv mit sich selbst interferieren.Wo diese Beziehung gilt, bildet sich eine Reihe heller konzentrischer Ringe.Unterschiedliche Wellenlängen und unterschiedliche Winkel würden unterschiedliche Ringe erzeugen.In einem Bildgebungssystem mit einem Fabry-Pérot-Etalon wie denen in unseren Satelliten ist der Radius des Rings auf dem Bildgeber ungefähr proportional zum Strahlwinkel.Für unser System bedeutet dies, dass das Etalon als winkelabhängiges Filter wirkt.Anstatt das Licht nach Wellenlängen zu streuen, filtern wir das Licht auf bestimmte Wellenlängen, abhängig von der radialen Position des Lichts innerhalb der Szene.Da wir Licht betrachten, das durch die Atmosphäre übertragen wird, erhalten wir am Ende dunkle Ringe an bestimmten Radien, die molekularen Absorptionslinien entsprechen.Das Etalon kann leichter miniaturisiert werden als ein Beugungsgitter-Spektrometer, da die spektrale Unterscheidung durch Interferenz entsteht, die innerhalb eines sehr kleinen Spalts von zehn bis hundert Mikrometern auftritt;es sind keine großen Pfadlängen oder Strahltrennungen erforderlich.Da das Etalon außerdem aus zueinander parallelen Substraten besteht, trägt es nicht wesentlich zu Aberrationen bei, sodass Sie relativ einfache optische Designtechniken verwenden können, um eine ausreichende räumliche Auflösung zu erzielen.Es gibt jedoch Komplikationen im Zusammenhang mit dem bildgebenden Spektrometer WAF-P.Beispielsweise nimmt der Imager hinter dem Etalon sowohl das Bild der Szene (wo sich die Gasquelle befindet) als auch das Interferenzmuster (das Methanspektrum) auf.Das heißt, die Spektralringe sind in das eigentliche Bild des Erdflecks, auf den der Satellit zeigt, eingebettet und werden dadurch verfälscht.Aus einem einzigen Kamerabild können Sie also nicht unterscheiden, wie viel Licht von der Oberfläche von Änderungen in der Menge an Treibhausgasen in der Atmosphäre reflektiert wird.Die Trennung von räumlichen und spektralen Informationen, um den Ursprung einer Methanfahne genau bestimmen zu können, erforderte einige Innovationen.Der Rechenprozess, der zum Extrahieren von Gaskonzentrationen aus Spektralmessungen verwendet wird, wird Abruf genannt.Der erste Schritt, um dies für die WAF-P zum Laufen zu bringen, bestand darin, das Instrument vor dem Start richtig zu charakterisieren.Dadurch entsteht ein detailliertes Modell, das dabei helfen kann, die spektrale Reaktion des Systems für jedes Pixel genau vorherzusagen.Zusammenfügen: Um das komplette Spektrum einer ganzen Szene zu bestimmen, muss der Satellit bis zu 200 Bilder aufnehmen, während er über ihm vorbeifliegt (oben).Auf diese Weise wird jedes Merkmal bei allen relevanten Wellenlängen (rote Ringe, unten) gemessen.Der Prozess, Abruf genannt, reproduziert ein Bild einer Methanfahne. Illustration: James Provost.Fotos: GHGSatAber das ist erst der Anfang.Die Trennung der Mischung aus spektralen und räumlichen Informationen des Etalons erforderte einiges an algorithmischer Magie.Wir haben dieses Problem überwunden, indem wir ein Protokoll entwickelt haben, das eine Sequenz von 200 überlappenden Bildern erfasst, während der Satellit über einen Standort fliegt.Auf der Umlaufbahn unseres Satelliten bedeutet dies, die Zeit zu maximieren, die wir für die Aufnahme von Bildern haben, indem wir die Ausrichtung des Satelliten kontinuierlich anpassen.Mit anderen Worten, wir lassen den Satelliten auf die vorbeifahrende Stelle starren, wie ein Autofahrer auf einer Autobahn, der an einem Autowrack vorbeifährt.Der nächste Schritt im Abrufverfahren besteht darin, die Bilder auszurichten, wobei im Wesentlichen alle Bodenorte innerhalb der Szene durch die Folge von Bildern verfolgt werden.Dies gibt uns eine Sammlung von bis zu 200 Messwerten, bei denen ein Merkmal, beispielsweise ein undichtes Gasbohrloch, das gesamte Interferenzmuster durchläuft.Dies misst effektiv denselben Punkt auf der Erde bei abnehmenden Infrarotwellenlängen, wenn sich dieser Punkt von der Mitte des Bildes nach außen bewegt.Wenn die Methankonzentration ungewöhnlich hoch ist, führt dies zu kleinen, aber vorhersagbaren Änderungen des Signalpegels an bestimmten Positionen im Bild.Unsere Abrufsoftware vergleicht dann diese Änderungen mit ihrem internen Modell der spektralen Reaktion des Systems, um Methanwerte in Teilen pro Million zu extrahieren.An diesem Punkt werden die Nachteile des WAF-P zu einem Vorteil.Einige andere Satelliten verwenden separate Instrumente, um den Boden zu visualisieren und die Methan- oder CO2-Spektren zu erfassen.Sie müssen diese beiden dann neu ausrichten.Unser System erfasst beides gleichzeitig, sodass sich die Gasfahne bis auf mehrere zehn Meter automatisch an ihrem Ursprungspunkt ausrichtet.Hinzu kommt der Vorteil der hohen räumlichen Auflösung.Andere Systeme wie Tropomi (TROPOspheric Monitoring Instrument, eingeführt 2017) müssen die Methandichte über ein 7 Kilometer breites Pixel mitteln.Die Spitzenkonzentration einer Wolke, die Claire erkennen konnte, würde durch die Tropomi-Auflösung so stark verdünnt, dass sie nur 1/200 so stark erscheinen würde.So können Systeme mit hoher räumlicher Auflösung wie Claire schwächere Emitter erkennen und nicht nur ihren Standort lokalisieren.Es ist nützlich, einem Kunden einfach ein Bild seiner Methanfahne an einem bestimmten Tag zu geben, aber es ist kein vollständiges Bild.Bei schwächeren Emittenten kann es das Messrauschen erschweren, Methan-Punktquellen aus einer einzigen Beobachtung zu erkennen.Aber die zeitliche Mittelung mehrerer Beobachtungen mit unseren Analysetools reduziert das Rauschen: Selbst mit einem einzigen Satelliten können wir 25 oder mehr Beobachtungen eines Standorts pro Jahr machen, sofern die Wolkendecke es zulässt.Anhand dieses Mittelwerts erstellen wir dann eine Schätzung der Methanemissionsrate.Der Prozess macht Momentaufnahmen von Methandichtemessungen der Schwadensäule und berechnet, wie viel Methan pro Stunde austreten muss, um diese Art von Schwaden zu erzeugen.Die Ermittlung der Emissionsrate erfordert die Kenntnis der lokalen Windverhältnisse, da die überschüssige Methandichte nicht nur von der Emissionsrate abhängt, sondern auch davon, wie schnell der Wind das emittierte Gas aus dem Gebiet transportiert.Wir haben in den vier Jahren, seit Claire mit den Beobachtungen begonnen hat, viel gelernt.Und wir haben es geschafft, einige dieser Lektionen in unserer nächsten Generation von Mikrosatelliten, von denen Iris die erste ist, in die Praxis umzusetzen.Die größte Lektion ist, sich auf Methan zu konzentrieren und Kohlendioxid für später aufzuheben.Wenn wir nur Methan messen wollen, können wir das Design des Etalons so anpassen, dass es die Ecke des Infrarotspektrums von Methan besser misst, anstatt breit genug zu sein, um auch CO2 zu erfassen.Dies sollte zusammen mit einer besseren Optik, die Fremdlicht fernhält, zu einer 10-fachen Erhöhung der Methanempfindlichkeit führen.Iris und die folgenden Satelliten können also kleinere Lecks erkennen als Claire.Light Fantastic: Das Herzstück des abbildenden Weitwinkel-Fabry-Pérot-Spektrometers.Foto: GHGSatWir entdeckten auch, dass unsere nächsten Satelliten eine bessere Strahlungsabschirmung benötigen würden.Strahlung im Orbit ist ein besonderes Problem für den Bildgebungschip des Satelliten.Vor dem Start von Claire hatten wir sorgfältig berechnet, wie viel Abschirmung benötigt wurde, und diese dann mit den erhöhten Kosten für das Gewicht der Abschirmung ausgeglichen.Trotzdem verliert Claires Imager Pixel schneller als erwartet.(Unsere Software gleicht den Verlust teilweise aus.) Also tragen Iris und der Rest der nächsten Generation schwerere Strahlungsschilde.Eine weitere Verbesserung betrifft das Herunterladen von Daten.Claire hat in den ersten vier Jahren etwa 6.000 Beobachtungen gemacht.Die Daten werden per Funk zur Erde gesendet, während der Satellit an einer einzelnen Bodenstation im Norden Kanadas vorbeifliegt.Wir wollen nicht, dass zukünftige Satelliten bei der Anzahl ihrer Beobachtungen an Grenzen stoßen, nur weil sie nicht genug Zeit haben, die Daten vor ihrem nächsten Termin mit einem Methanleck herunterzuladen.Iris ist also mit mehr Speicher ausgestattet als Claire, und der neue Mikrosatellit trägt zusätzlich zu seiner normalen Funkantenne einen experimentellen Laser-Downlink.Wenn alles nach Plan läuft, soll der Laser die Download-Geschwindigkeit um das 1.000-fache auf 1 Gigabit pro Sekunde steigern.In ihrer polaren Umlaufbahn, 500 Kilometer über der Erde, überfliegt Claire alle zwei Wochen jeden Teil des Planeten.Mit Iris verdoppelt sich die Abdeckungsfrequenz effektiv.Und die Hinzufügung von Hugo und drei weiteren Mikrosatelliten im Dezember, die 2021 gestartet werden sollen, wird uns die Möglichkeit geben, fast täglich an jedem Ort der Welt einzuchecken – natürlich abhängig von der Wolkendecke.Mit der Auflösung und Frequenz unserer Mikrosatelliten sollten wir in der Lage sein, die größeren Methanlecks zu erkennen, die etwa 70 Prozent der Emissionen ausmachen.Die Schließung der anderen 30 Prozent erfordert eine genauere Betrachtung.Beispielsweise ist es bei dicht gruppierten Anlagen in einer Schiefergasregion möglicherweise nicht möglich, ein Leck einer bestimmten Anlage aus dem Weltraum zuzuordnen.Und ein beträchtliches Leck, das per Satellit nachweisbar ist, könnte ein Indikator für mehrere kleinere Lecks sein.Daher haben wir eine flugzeugmontierte Version des WAF-P-Instruments entwickelt, die einen Standort mit einer Auflösung von 1 Meter scannen kann.Das erste derartige Instrument absolvierte Ende 2019 seine Testflüge und wird jetzt kommerziell eingesetzt, um einen Schieferöl- und -gasstandort in British Columbia zu überwachen.Innerhalb des nächsten Jahres erwarten wir den Einsatz eines zweiten flugzeugmontierten Instruments und die Ausweitung dieses Dienstes auf den Rest Nordamerikas.Indem wir unseren Kunden detaillierte Methanumfragen zur Verfügung stellen, ermöglichen wir ihnen, die erforderlichen Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.Letztendlich werden diese Lecks von Besatzungen am Boden repariert, aber unser Ansatz zielt darauf ab, die Notwendigkeit persönlicher Besuche in den Einrichtungen erheblich zu reduzieren.Und jede Quelle flüchtiger Emissionen, die entdeckt und gestoppt wird, ist ein sinnvoller Schritt zur Eindämmung des Klimawandels.Dieser Artikel erscheint in der Printausgabe vom November 2020 als „Microsatellites Spot Mystery Methane Leaks“.Jason McKeever, Dylan Jervis und Mathias Strupler arbeiten bei GHGSat, einem Fernerkundungsunternehmen in Montreal.McKeever ist der Wissenschafts- und Systemleiter des Unternehmens, Jervis ist Systemspezialist und Strupler ist Spezialist für optische Systeme.Kubisches Borarsenid könnte sogar das bestmögliche seinCharles Q. Choi ist ein Wissenschaftsreporter, der regelmäßig zum IEEE Spectrum beiträgt.Er hat unter anderem für Scientific American, The New York Times, Wired und Science geschrieben.Boratome [orange] verbinden sich mit Arsenatomen [schwarz] zu einer kubischen Kristallstruktur namens kubisches Borarsenid (c-BAs) – ein schwierig herzustellender Halbleiter, aber auch einer mit hoher Ladungsträgermobilität und hoher Wärmeleitfähigkeit.Silizium ist die Grundlage der Elektronikindustrie.Seine Leistungsfähigkeit als Halbleiter lässt jedoch zu wünschen übrig.Jetzt haben Wissenschaftler entdeckt, dass ein obskures Material, das als kubisches Borarsenid (c-BAs) bekannt ist, möglicherweise viel besser abschneidet als Silizium.Tatsächlich könnte es der beste Halbleiter sein, der jemals gefunden wurde, und möglicherweise sogar der bestmögliche.Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde.In seiner reinen Form ist Silizium der Schlüssel zu vielen modernen Technologien, von Mikrochips bis hin zu Solarzellen.Seine Eigenschaften als Halbleiter sind jedoch alles andere als ideal.„Wir haben erstmals ein neues Material mit hoher Ladungsträgermobilität und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit demonstriert.“—Zhifeng Ren, Universität von HoustonZum einen leitet Silizium Wärme nicht sehr gut.Daher sind Überhitzung und teure Kühlsysteme in Computern üblich.Obwohl Silizium Elektronen leicht durch seine Struktur rasen lässt, ist es außerdem viel weniger gefällig gegenüber der positiv geladenen Abwesenheit von Elektronen, die als Löcher bekannt sind.Diese Schwächen reduzieren die Gesamteffizienz von Silizium als Halbleiter.(Um fair zu sein, die meisten Halbleiter bieten eine hohe Mobilität nur für Elektronen oder Löcher.)Im Jahr 2018 ergaben Experimente, dass c-BAs – ein Kristall, der aus Bor und Arsen, zwei relativ häufig vorkommenden Mineralelementen, gezüchtet wurde – Wärme fast zehnmal so gut leitete wie Silizium.Dies ist die bekannteste Wärmeleitfähigkeit aller Halbleiter und die drittbeste bekannte Wärmeleitfähigkeit aller Materialien nach Diamant und isotopenangereichertem kubischem Bornitrid.Darüber hinaus legten theoretische Vorhersagen nahe, dass c-BAs auch eine sehr hohe Mobilität für Elektronen und Löcher besitzen würden.Jetzt bestätigen in zwei Studien in der Ausgabe vom 22. Juli der Zeitschrift Science Experimente die hohe Elektronen- und Lochmobilität von kubischem Borarsenid.„Wir haben zum ersten Mal ein neues Material mit hoher Trägermobilität und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit demonstriert“, sagt Zhifeng Ren, Physiker und Materialwissenschaftler an der University of Houston und Co-Autor beider Studien.„Die Ergebnisse weisen eine neue Richtung für Halbleiter auf, die die Halbleiterindustrie in naher Zukunft revolutionieren könnte.“Die Analyse der Elektronen- und Lochmobilität in c-BAs war eine Herausforderung, da die Kristalle, die die Forscher hatten, klein waren.Außerdem waren die Kristalle mit Verunreinigungen durchsetzt, die die Elektronen und Löcher streuten.Durch die Untersuchung der Kristalle mit Laserpulsen fand das Team von Wissenschaftlern (von der University of Houston sowie dem MIT, der University of Texas in Austin und dem Boston College) heraus, dass Elektronen und Elektronenlöcher die höchste Mobilität an Orten auf dem Gitter mit haben geringste Verunreinigungen.Die Elektronen- und Lochmobilität wird in Einheiten von Quadratzentimetern pro Voltsekunde (cm2/V·s) gemessen.Silizium hat bei Raumtemperatur eine Elektronenbeweglichkeit von 1.400 cm2/V•s und eine Löcherbeweglichkeit von 450 cm2/V•s.Im Gegensatz dazu haben c-BAs nach den neuen Erkenntnissen eine Beweglichkeit von 1.600 cm2/V•s für Elektronen und Löcher, die sich bei Raumtemperatur gemeinsam bewegen.Darüber hinaus ergab eine der beiden neuen Studien in Science, dass die Elektronenmobilität in c-BAs bis zu 3.000 cm2/V•s erreichen kann.Diese Leistung könnte auf „heiße Elektronen“ zurückzuführen sein, die die Energie, die durch Laserpulse erzeugt wird, die zur Anregung der Ladungsträger verwendet werden, länger speichern als in den meisten anderen Materialien.Bisher haben Wissenschaftler c-BAs nur in kleinen, nicht einheitlichen Chargen im Labormaßstab hergestellt.Dennoch hält Ren es für sehr wahrscheinlich, dass es auf praktische und wirtschaftliche Weise hergestellt werden kann, da Bor, Arsen und die Kristallherstellungstechnik alle kostengünstig sind.Er sagt, dass die Kristalle nur dann auf viel größere Größen skaliert werden dürfen, um die Qualitätskontrolle aufrechtzuerhalten, „wenn der Wachstumsprozess vollständig verstanden ist“.Darüber hinaus, sagt Ren, „war meine Gruppe immer der Meinung, dass eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit und höhere Mobilität erreicht werden sollte, wenn die Kristallqualität weiter verbessert wird, sodass das kurzfristige Ziel darin besteht, ihr Wachstum für höherwertige Kristalle zu verbessern.“Der mikrohydraulische Greifer, den Sie sich schon immer gewünscht haben, dank einer Ex-SpinneBugs haben Robotiker lange damit verspottet, wie absolut unglaublich sie sind.Erstaunlich mobil, erstaunlich effizient, superrobust und teilweise buchstäblich spottbillig.Aber einen Roboter zu bauen, der einem Insektenäquivalent entspricht, ist extrem schwierig – so schwierig, dass es oft einfacher ist, lebende Insekten selbst zu entführen und sie für uns arbeiten zu lassen.Weißt du, was noch einfacher ist?Hijacking und Wiederverwendung toter Bugs.Willkommen bei Necrobotics.Spinnen sind im Grunde hydraulische (oder pneumatische) Greifer.Lebende Spinnen kontrollieren ihre Gliedmaßen, indem sie den Blutdruck von Glied zu Glied durch ein internes Ventilsystem anpassen.Höherer Druck dehnt die Extremität und wirkt gegen einen antagonistischen Beugemuskel, der die Extremität krümmt, wenn der Blutdruck im Inneren sinkt.Das ist übrigens der Grund, warum sich alle Spinnenbeine zusammenrollen, wenn die Spinne sich von der sterblichen Windung löst: Es fehlt der Blutdruck, um die Kraft der Beuger auszugleichen.Das bedeutet, dass es relativ einfach ist, alle acht Gliedmaßen einer Spinne zu betätigen, die sich unsichtbar dem Chor angeschlossen hat.Stechen Sie einfach in die Mitte dieses Ventilsystems, spritzen Sie etwas Luft ein und puff, alle Beine blasen sich auf und strecken sich.Diese Arbeit von Forschern des Preston Innovation Lab an der Rice University in Houston wird in einem gerade in Advanced Science veröffentlichten Artikel beschrieben.In dem Papier charakterisiert das Team ein wenig die Leistung des Greifers der verstorbenen Spinne, und es ist beeindruckend: Er kann das 1,3-fache seines eigenen Gewichts heben, eine Spitzengreifkraft von 0,35 Millinewton ausüben und mindestens 700 betätigen Zeit, bevor die Gliedmaßen oder das Klappensystem beginnen, sich in signifikanter Weise zu verschlechtern.Nach 1.000 Zyklen erscheinen einige Risse in den Gelenken der toten Spinne, wahrscheinlich aufgrund von Austrocknung.Aber die Forscher glauben, dass sie diesen Zusammenbruch wahrscheinlich sehr verhindern könnten, indem sie die Spinne mit etwas wie Bienenwachs beschichten.Der Demised-Spider-Greifer ist in der Lage, eine Vielzahl von Objekten erfolgreich aufzunehmen, wahrscheinlich aufgrund einer Kombination aus der inhärenten Nachgiebigkeit der Beine sowie haarähnlichen Mikrostrukturen an den Beinen, die wie ein gerichteter Klebstoff wirken.Wir können leider (wenn auch ziemlich offensichtlich) nicht sagen, dass im Laufe dieser Forschung keine Spinnen geschädigt wurden.Laut der Veröffentlichung wurde „das biotische Rohmaterial (d. h. der Spinnenkadaver) gewonnen, indem eine Wolfsspinne eingeschläfert wurde, indem sie für einen Zeitraum von 5–7 Tagen einer Gefriertemperatur (ungefähr -4 °C) ausgesetzt wurde.“Die Forscher stellen fest, dass „es derzeit keine klaren Richtlinien in der Literatur bezüglich ethischer Beschaffung und humaner Euthanasie von Spinnen gibt“, was wirklich herausgefunden werden sollte, wenn man bedenkt, wie viel wir über die niedlichen, aber immer noch furchterregenden Persönlichkeiten einiger wissen Spinnen haben.Die Wolfsspinne war eine bequeme Wahl, da sie eine Greifkraft ausübt, die ungefähr ihrem eigenen Gewicht entspricht, was die interessante Frage aufwirft, welche Art von Leistung von Spinnen unterschiedlicher Größe erwartet werden kann.Basierend auf einer Skalierungsanalyse schlagen die Forscher vor, dass klitzekleine 10-Milligramm-Springspinnen eine Greifkraft von mehr als 200 Prozent ihres Körpergewichts ausüben könnten, während sehr viel weniger klitzekleine 200-Gramm-Goliathspinnen möglicherweise nur mit greifen können eine Kraft, die 10 Prozent ihres Körpergewichts beträgt.Aber das ergibt 20 Gramm, was immer noch erschreckend ist.Goliath-Spinnen sind groß.Im Guten wie im Schlechten scheinen Insekten wahrscheinlich das größte nekrobotische Potenzial zu bieten, da die Herstellung von Pneumatik, Gelenken und Muskeln in diesem Maßstab sehr herausfordernd, wenn nicht sogar unmöglich sein kann.Und insbesondere Spinnen (sowie andere spinnenähnliche Insekten) bieten eine biologisch abbaubare, umweltfreundliche On-Demand-Aktivierung mit Fähigkeiten, die die Forscher hoffen, erheblich zu erweitern.Ein kapazitiver Näherungssensor könnte beispielsweise Autonomie ermöglichen, um „kleine biologische Lebewesen für die Probenentnahme in realen Szenarien diskret einzufangen“.Die unabhängige Betätigung von Gliedmaßen könnte zu einer nekrobotischen Fortbewegung führen.Und die Forscher planen auch, die Hochgeschwindigkeitsartikulation mit Peitschenskorpionen sowie echte Manipulation im Mikromaßstab mit Patu-Digua-Spinnen zu erforschen.Ich lasse Sie den Peitschenskorpion selbst googlen, weil sie mich irgendwie ausflippen lassen, aber hier ist ein Bild einer Patu Digua mit einem Körper von etwa einem Viertel Millimeter:Erfahren Sie, wie Sie Ihren Satellitendesignprozess beschleunigen und Risiken und Kosten mit modellbasierten Konstruktionsmethoden reduzieren könnenGewinnen Sie das Rennen um die Entwicklung und Bereitstellung von Satellitentechnologien und -systemen.Erfahren Sie, wie neue digitale Engineering-Techniken die Entwicklung beschleunigen und Ihre Risiken und Kosten senken können.Laden Sie jetzt dieses kostenlose Whitepaper herunter!