La NASA svela rivoluzionarie telecamere a infrarossi per l'esplorazione terrestre e spaziale

L'ingegnere della Goddard, Murzy Jhabvala, tiene in mano il cuore della sua tecnologia della fotocamera Compact Thermal Imager - un sensore ad infrarossi ad alta risoluzione e ad alta gamma spettrale, adatto per piccoli satelliti e missioni verso altri oggetti del sistema solare. Fonte: NASA

I sensori a infrarossi innovativi sviluppati dalla NASA aumentano la risoluzione per l'imaging della terra e dello spazio, promettendo progressi nel monitoraggio ambientale e nelle scienze planetarie.

Una nuova fotocamera a infrarossi di recente sviluppo, dotata di alta risoluzione e dotata di una serie di filtri leggeri, ha il potenziale di analizzare la luce solare riflessa dall'alta atmosfera e dalla superficie terrestre, migliorare gli avvisi di incendi boschivi, e scoprire la composizione molecolare di altri pianeti.

Queste telecamere sono dotate di sensori a superreticolo a strato sottile sensibili ad alta risoluzione, sviluppati originalmente presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, finanziati attraverso il programma Interno di Ricerca e Sviluppo (IRAD).

Grazie al loro design compatto, al basso peso e alla versatilità, ingegneri come Tilak Hewagama possono personalizzarli per diverse applicazioni scientifiche.

"Attaccando i filtri direttamente al rilevatore, eliminiamo la notevole massa dei tradizionali sistemi di lenti e filtri," ha detto Hewagama. "Questo consente un strumento di bassa massa con un piano focale compatto che può ora essere raffreddato per la rilevazione ad infrarossi utilizzando refrigeratori più piccoli ed efficienti. Piccoli satelliti e missioni possono beneficiare della loro risoluzione e precisione."

L'ingegnere Murzy Jhabvala ha guidato l'iniziale sviluppo del sensore presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, così come guida oggi gli sforzi di integrazione dei filtri.

Jhabvala ha anche guidato l'esperimento della Compact Thermal Imager sulla Stazione Spaziale Internazionale che ha dimostrato come la nuova tecnologia del sensore potesse sopravvivere nello spazio, rivelandosi un grande successo per la scienza della Terra. Più di 15 milioni di immagini catturate in due bande ad infrarossi hanno fruttato agli inventori, Jhabvala, e ai colleghi della NASA Goddard, Don Jennings e Compton Tucker un premio per l'Invenzione dell'Anno dell'agenzia per il 2021.

La Compact Thermal Imager ha catturato incendi insolitamente intensi in Australia dalla Stazione Spaziale Internazionale nel 2019 e 2020. Con la sua alta risoluzione, ha rilevato la forma e la posizione dei fronti di fuoco e quanto erano lontani dalle aree abitate, informazioni di importanza critica per i primi soccorritori. Fonte: NASA

I dati del test hanno fornito informazioni dettagliate sugli incendi, una migliore comprensione della struttura verticale delle nuvole e dell'atmosfera della Terra, e hanno catturato un sollevamento causato dal vento che si solleva dalle caratteristiche terrestri della Terra chiamato onda di gravità.

I rivoluzionari sensori a infrarossi utilizzano strati di strutture molecolari ripetitive per interagire con singoli fotoni, o unità di luce. I sensori risolvono più lunghezze d'onda ad infrarossi con una risoluzione più alta: 80 metri per pixel da orbita rispetto ai 375-1000 metri possibili con le attuali telecamere termiche.

Il successo di queste telecamere di misurazione del calore ha attirato investimenti dall'ufficio tecnologico di scienza della Terra della NASA (ESTO), Small Business Innovation e Research, e altri programi per personalizzare ulteriormente la loro portata e le loro applicazioni.

Jhabvala e la squadra Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS) della NASA stanno sviluppando una versione a six bande per il progetto aereo LiDAR, Hyperspectral, & Thermal Imager (G-LiHT) di quest'anno. Questa telecamera senza precedenti misurerà la superficie terrestre e permetterà il monitoraggio dell'inquinamento e l'osservazione degli incendi a ritmi elevati, ha detto.

Doug Morton, scienziato terrestre della NASA Goddard, dirige un progetto ESTO per sviluppare un Compact Fire Imager per la rilevazione e la previsione degli incendi boschivi.

"Non vedremo meno incendi, quindi stiamo cercando di capire come gli incendi rilasciano energia durante il loro ciclo di vita," ha detto Morton. "Questo ci aiuterà a capire meglio la nuova natura degli incendi in un mondo sempre più infiammabile."

CFI monitorerà sia gli incendi più caldi, che rilasciano più gas serra, che le braci e le ceneri più fresche e fumanti, che producono più monossido di carbonio e particelle sospese come fumo e cenere.

"Questi sono ingredienti chiave quando si tratta di sicurezza e comprensione dei gas serra rilasciati dalla combustione," ha detto Morton.

Dopo aver testato l'imager del fuoco su campagne aeree, la squadra di Morton immagina di equipaggiare una flotta di 10 piccoli satelliti per fornire informazioni globali sugli incendi con più immagini al giorno.

Combinato con i modelli informatici di prossima generazione, ha detto, "queste informazioni possono aiutare il servizio forestale e altre agenzie antincendio a prevenire gli incendi, migliorare la sicurezza per i vigili del fuoco in prima linea, e proteggere la vita e la proprietà di coloro che vivono sul percorso degli incendi."

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.”