La NASA presenta cámaras infrarrojas revolucionarias para la exploración de la Tierra y el espacio

El ingeniero de Goddard, Murzy Jhabvala, sostiene el corazón de su tecnología de cámara Compact Thermal Imager: un sensor infrarrojo de alta resolución y alto rango espectral adecuado para satélites pequeños y misiones a otros objetos del sistema solar. Crédito: NASA

Los innovadores sensores infrarrojos desarrollados por la NASA aumentan la resolución para la imagen de la Tierra y del espacio, prometiendo avances en la monitorización del medio ambiente y la ciencia planetaria.

Una cámara infrarroja recién desarrollada con alta resolución y equipada con una gama de filtros ligeros tiene el potencial de analizar la luz solar reflejada desde la atmósfera superior y la superficie de la Tierra, mejorar las alertas de incendios forestales y descubrir la composición molecular de otros planetas.

Estas cámaras están equipadas con sensores superlattices de capas de tensión, de alta resolución, desarrollados originalmente en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, financiados a través del programa de Investigación Interna y Desarrollo (IRAD).

Gracias a su diseño compacto, bajo peso y versatilidad, ingenieros como Tilak Hewagama pueden personalizarlos para diversas aplicaciones científicas.

"Adjuntar filtros directamente al detector elimina la gran cantidad de sistemas de lentes y filtros tradicionales", dijo Hewagama. "Esto permite un instrumento de baja masa con un plano focal compacto que ahora puede ser enfriado para la detección de infrarrojos con refrigeradores más pequeños y eficientes. Satélites más pequeños y misiones pueden beneficiarse de su resolución y precisión".

El ingeniero Murzy Jhabvala lideró el desarrollo inicial de los sensores en el Goddard Space Flight Center de la NASA en Greenbelt, Maryland, así como los esfuerzos actuales de integración de filtros.

Jhabvala también lideró el experimento Compact Thermal Imager en la Estación Espacial Internacional que demostró cómo la nueva tecnología de sensores podría sobrevivir en el espacio y ser un gran éxito para las ciencias de la Tierra. Más de 15 millones de imágenes capturadas en dos bandas de infrarrojos hicieron que los inventores, Jhabvala y sus colegas de la NASA Goddard, Don Jennings y Compton Tucker, ganaran el premio a la invención del año de la agencia en 2021.

La Compact Thermal Imager capturó incendios inusualmente graves en Australia desde su posición en la Estación Espacial Internacional en 2019 y 2020. Con su alta resolución, detectó la forma y la ubicación de los frentes de incendio y lo lejos que estaban de las áreas pobladas, información críticamente importante para los primeros en responder. Crédito: NASA

Los datos de la prueba proporcionaron información detallada sobre los incendios forestales, una mejor comprensión de la estructura vertical de las nubes y la atmósfera de la Tierra y capturaron una corriente ascendente causada por el viento que se levanta de las características terrestres de la Tierra llamada onda de gravedad.

Los innovadores sensores infrarrojos utilizan capas de estructuras moleculares repetitivas para interactuar con fotones individuales, o unidades de luz. Los sensores resuelven más longitudes de onda de infrarrojos a una resolución más alta: 80 metros por píxel desde la órbita en comparación con los 375 a 1000 metros posibles con las cámaras térmicas actuales.

El éxito de estas cámaras de medición de calor ha atraído inversiones de la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra de la NASA (ESTO), la Innovación y la Investigación para Pequeñas Empresas, y otros programas para personalizar aún más su alcance y aplicaciones.

Jhabvala y el equipo del Sensor Avanzado de Imágenes Térmicas de Tierra de la NASA (ALTIRS) están desarrollando una versión de seis bandas para el proyecto aéreo LiDAR, Hyperspectral, & Thermal Imager (G-LiHT) de este año. Esta cámara única en su tipo medirá el calor superficial y permitirá la monitorización de la contaminación y la observación de incendios a altas tasas de cuadros, dijo.

El científico de la Tierra de la NASA Goddard, Doug Morton, lidera un proyecto ESTO que desarrolla un Compact Fire Imager para la detección y predicción de incendios forestales.

"No vamos a ver menos incendios, por lo que estamos tratando de entender cómo los incendios liberan energía a lo largo de su ciclo de vida", dijo Morton. "Esto nos ayudará a entender mejor la nueva naturaleza de los incendios en un mundo cada vez más inflamable".

CFI monitoreará tanto los incendios más calientes, que liberan más gases de efecto invernadero, como las brasas y cenizas más frías y humeantes, que producen más monóxido de carbono y partículas en el aire, como el humo y la ceniza.

"Esos son ingredientes clave en cuanto a la seguridad y la comprensión de los gases de efecto invernadero liberados por la quema", dijo Morton.

Después de probar la cámara de incendios en campañas aéreas, el equipo de Morton prevé equipar una flota de 10 pequeños satélites para proporcionar información global sobre incendios con más imágenes por día.

Combinada con modelos informáticos de próxima generación, dijo, "esta información puede ayudar al servicio forestal y a otras agencias de lucha contra incendios a prevenir incendios, mejorar la seguridad para los bomberos en el frente y proteger la vida y propiedad de aquellos que viven en el camino de los incendios".

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.”