NASA stellt bahnbrechende Infrarotkameras für Erd- und Weltraumforschung vor

Der Ingenieur Murzy Jhabvala von Goddard hält das Herzstück seiner Compact Thermal Imager-Kameratechnologie - einen hochauflösenden, hochspektralen Infrarotsensor, der für kleine Satelliten und Missionen zu anderen Objekten im Sonnensystem geeignet ist. Bildrechte: NASA

Innovative Infrarotsensoren, die von der NASA entwickelt wurden, erhöhen die Auflösung für Erd- und Weltraumaufnahmen und versprechen Fortschritte in der Umweltüberwachung und Planetenforschung.

Eine neu entwickelte Infrarotkamera mit hoher Auflösung und ausgestattet mit einer Reihe von leichten Filtern, hat das Potential, das von der oberen Erdatmosphäre und der Oberfläche reflektierte Sonnenlicht zu analysieren, Waldbrandwarnungen zu verbessern und die molekulare Zusammensetzung anderer Planeten zu entschlüsseln.

Die Kameras sind mit empfindlichen, hochauflösenden, verspannten Schichten-Superstruktur-Sensoren ausgestattet, die ursprünglich im NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, im Rahmen des internen Forschungs- und Entwicklungsprogramms (Internal Research and Development, IRAD) entwickelt wurden.

Dank ihres kompakten Designs, geringem Gewicht und Vielseitigkeit können Ingenieure wie Tilak Hewagama sie für vielfältige wissenschaftliche Anwendungen anpassen.

"Die direkte Anbringung von Filtern an den Detektor eliminiert das erhebliche Gewicht herkömmlicher Linsen- und Filtersysteme", sagte Hewagama. „Dies ermöglicht ein leichtes Instrument mit einer kompakten Brennebene, das nun mit kleineren, effizienteren Kühlsystemen für die Infraroterfassung gekühlt werden kann. Kleinere Satelliten und Missionen können von ihrer Auflösung und Genauigkeit profitieren."

Der Ingenieur Murzy Jhabvala leitete die erste Sensorentwicklung im NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, sowie die heutigen Filterintegrationsbemühungen.

Jhabvala leitete auch das Compact Thermal Imager-Experiment auf der Internationalen Raumstation, das demonstrierte, wie die neue Sensortechnologie im Weltraum überleben konnte und dabei einen großen Erfolg für die Erdwissenschaften erzielte. Mehr als 15 Millionen in zwei Infrarotbändern aufgenommene Bilder brachten den Erfindern, Jhabvala und seinen NASA Goddard-Kollegen Don Jennings und Compton Tucker, den Auszeichnung "Erfindung des Jahres" der Behörde für 2021 ein.

Der Compact Thermal Imager hat aus seiner Position auf der Internationalen Raumstation im Jahr 2019 und 2020 ungewöhnlich schwere Brände in Australien aufgenommen. Mit seiner hohen Auflösung erkannte er die Form und den Ort der Brandfronten und wie weit sie von bewohnten Gebieten entfernt waren - Informationen, die für Ersthelfer von entscheidender Bedeutung sind. Bildrechte: NASA

Daten aus dem Test lieferten detaillierte Informationen über Waldbrände, ein besseres Verständnis der vertikalen Struktur der Erdatmosphäre und -wolken, und zeigten eine Aufwinde, die durch Wind verursacht wurde, der von den Landmerkmalen der Erde, sogenannten Gravitationswellen, abhob.

Die bahnbrechenden Infrarotsensoren verwenden Schichten sich wiederholender molekularer Strukturen, um mit einzelnen Photonen oder Lichteinheiten zu interagieren. Die Sensoren lösen mehr Wellenlängen von Infrarot mit höherer Auflösung auf: 80 Meter pro Pixel aus dem Orbit im Vergleich zu den mit den derzeitigen Wärmebildkameras möglichen 375 bis 1000 Metern.

Der Erfolg dieser Wärme messenden Kameras hat Investitionen von der Earth Science Technology Office (ESTO) der NASA, des Small Business Innovation and Research und anderer Programme zur weiteren Anpassung ihrer Reichweite und Anwendungen angezogen.

Jhabvala und das Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS)-Team der NASA entwickeln eine sechsbändige Version für das Flugprojekt LiDAR, Hyperspektral & Thermal Imager (G-LiHT) dieses Jahres. Diese erstmalige Kamera wird die Oberflächenwärme messen und die Überwachung der Verschmutzung sowie die Beobachtung von Feuern mit hohen Bildraten ermöglichen, sagte er.

Der Erdenwissenschaftler Doug Morton von NASA Goddard leitet ein ESTO-Projekt zur Entwicklung eines Compact Fire Imagers für die Erkennung und Prognose von Waldbränden.

"Wir werden nicht weniger Brände erleben, daher versuchen wir zu verstehen, wie Brände im Laufe ihres Lebenszyklus Energie freisetzen", sagte Morton. „Dies wird uns helfen, das neue Wesen von Bränden in einer zunehmend brennbaren Welt besser zu verstehen."

Der CFI wird sowohl die heißesten Brände, die mehr Treibhausgase freisetzen, als auch kühlere, schwelende Kohlen und Asche überwachen, die mehr Kohlenmonoxid und luftgetragene Partikel wie Rauch und Asche freisetzen.

"Das sind entscheidende Faktoren, wenn es um Sicherheit und das Verständnis der von Verbrennungen freigesetzten Treibhausgase geht", sagte Morton.

Nachdem sie den Feuer-Imager auf Flugkampagnen getestet haben, stellt sich Mortons Team vor, eine Flotte von 10 kleinen Satelliten auszustatten, um weltweite Informationen über Brände mit mehr Bildern pro Tag zu liefern.

Zusammen mit der nächsten Generation von Computermodellen, sagte er, "kann diese Information dem Forstdienst und anderen Feuerwehrbehörden helfen, Brände zu verhindern, die Sicherheit für Feuerwehrleute an der Front zu verbessern und Leben und Eigentum der in Brandstrecken lebenden Menschen zu schützen."

Outfitted with polarization filters, the sensor could measure how ice particles in Earth’s upper atmosphere clouds scatter and polarize light, NASA Goddard Earth scientist Dong Wu said.

This applications would complement NASA’s PACE — Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem — mission, Wu said, which revealed its first light images earlier last month. Both measure the polarization of light wave’s orientation in relation to the direction of travel from different parts of the infrared spectrum.

“The PACE polarimeters monitor visible and shortwave-infrared light,” he explained. “The mission will focus on aerosol and ocean color sciences from daytime observations. At mid- and long-infrared wavelengths, the new Infrared polarimeter would capture cloud and surface properties from both day and night observations.”

In another effort, Hewagama is working Jhabvala and Jennings to incorporate linear variable filters which provide even greater detail within the infrared spectrum. The filters reveal atmospheric molecules’ rotation and vibration as well as Earth’s surface composition.

That technology could also benefit missions to rocky planets, comets, and asteroids, planetary scientist Carrie Anderson said. She said they could identify ice and volatile compounds emitted in enormous plumes from Saturn’s moon Enceladus.

“They are essentially geysers of ice,” she said, “which of course are cold, but emit light within the new infrared sensor’s detection limits. Looking at the plumes against the backdrop of the Sun would allow us to identify their composition and vertical distribution very clearly.”