La NASA dévoile des caméras infrarouges révolutionnaires pour l'exploration de la Terre et de l'espace

L'ingénieur de Goddard, Murzy Jhabvala, tient le cœur de sa technologie de caméra Compact Thermal Imager - un capteur infrarouge à haute résolution et à large spectre spectral, adapté pour les petits satellites et les missions vers d'autres objets du système solaire. Crédit : NASA

Les capteurs infrarouges innovants développés par la NASA augmentent la résolution pour l'imagerie de la Terre et de l'espace, promettant des avancées dans la surveillance environnementale et la science planétaire.

Une nouvelle caméra infrarouge développée récemment, offrant une haute résolution et équipée d'une gamme de filtres légers, a le potentiel d'analyser la lumière du soleil réfléchie par l'atmosphère supérieure et la surface de la Terre, d'améliorer les alertes aux incendies de forêt, et de révéler la composition moléculaire d'autres planètes.

Ces caméras sont équipées de capteurs à super-réseau à couches contraintes sensibles et à haute résolution, initialement développés au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, financés par le programme de recherche et de développement interne (IRAD).

Grâce à leur conception compacte, à leur faible poids et à leur polyvalence, des ingénieurs tels que Tilak Hewagama peuvent les personnaliser pour diverses applications scientifiques.

« Fixer les filtres directement sur le détecteur élimine la masse substantielle des systèmes traditionnels de lentilles et de filtres », a déclaré Hewagama. « Cela permet un instrument de faible masse avec un plan focal compact qui peut maintenant être refroidi pour une détection infrarouge à l'aide de refroidisseurs plus petits et plus efficaces. Les petits satellites et les missions peuvent bénéficier de leur résolution et de leur précision. »

L'ingénieur Murzy Jhabvala a dirigé le développement initial du capteur au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, ainsi que les efforts actuels d'intégration des filtres.

Jhabvala a également dirigé l'expérience de l'Imager thermique compacte sur l'ISS qui a démontré comment la nouvelle technologie de capteur pourrait survivre dans l'espace tout en prouvant un succès majeur pour les sciences de la Terre. Plus de 15 millions d'images capturées dans deux bandes infrarouges ont valu aux inventeurs, Jhabvala et ses collègues de la NASA Goddard, Don Jennings et Compton Tucker, une récompense pour l’invention de l'année 2021 de l'agence.

l'Imager thermique compacte a capturé des incendies inhabituellement graves en Australie depuis son perchoir sur l'ISS en 2019 et 2020. Avec sa haute résolution, il a détecté la forme et l'emplacement des fronts de feu et leur distance par rapport aux zones habitées - des informations d'une importance capitale pour les premiers intervenants. Crédit : NASA

Les données de l'essai ont fourni des informations détaillées sur les incendies de forêt, une meilleure compréhension de la structure verticale des nuages et de l'atmosphère de la Terre, et ont capturé une ascendance causée par le vent se soulevant des caractéristiques terrestres de la Terre appelée vague de gravité.

Les capteurs infrarouges révolutionnaires utilisent des couches de structures moléculaires répétitives pour interagir avec des photons individuels, ou unités de lumière. Les capteurs résolvent plus de longueurs d'onde d'infrarouge à une résolution plus élevée : 80 mètres par pixel en orbite comparé à 375 à 1 000 mètres possibles avec les caméras thermiques actuelles.

Le succès de ces caméras mesurant la chaleur a attiré des investissements de l'Earth Science Technology Office (ESTO) de la NASA, du Small Business Innovation and Research, et d'autres programmes pour personnaliser davantage leur portée et leurs applications.

Jhabvala et l'équipe du capteur thermique infrarouge avancé pour l'imagerie terrestre (ALTIRS) de la NASA développent une version à six bandes pour le projet aérien G-LiHT de cette année. Ce type de caméra, une première en son genre, mesurera la chaleur de surface et permettra la surveillance de la pollution et l'observation des incendies à des fréquences d'images élevées, a-t-il déclaré.

Le scientifique de la NASA Goddard, Doug Morton, dirige un projet ESTO qui développe un Compact Fire Imager pour la détection et la prédiction des incendies de forêt.

« Nous n'allons pas voir moins d'incendies, donc nous essayons de comprendre comment les incendies libèrent de l'énergie tout au long de leur cycle de vie », a déclaré Morton. « cela nous aidera à mieux comprendre la nouvelle nature des incendies dans un monde de plus en plus inflammable. »

CFI surveillera à la fois les incendies les plus chauds qui libèrent plus de gaz à effet de serre et les braises et les cendres plus fraîches et fumantes qui produisent plus de monoxyde de carbone et de particules aéroportées comme la fumée et les cendres.

« Ce sont des ingrédients clés pour la sécurité et la compréhension des gaz à effet de serre émis par la combustion », a déclaré Morton.

Après avoir testé l'imageur de feu sur des campagnes aériennes, l'équipe de Morton envisage d'équiper une flotte de 10 petits satellites pour fournir des informations mondiales sur les incendies avec plus d'images par jour.

Combinées à la prochaine génération de modèles informatiques, a-t-il dit, « ces informations peuvent aider le service des forêts et d'autres agences de lutte contre les incendies à prévenir les incendies, à améliorer la sécurité des pompiers en première ligne, et à protéger la vie et les biens de ceux qui vivent sur le chemin des incendies. »

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.”