NASA onthult baanbrekende infraroodcamera's voor aard- en ruimteverkenning

Goddard-ingenieur Murzy Jhabvala houdt het hart van zijn Compact Thermal Imager cameratechnologie vast - een hoge-resolutie, hoog-spectrale infraroodsensor die geschikt is voor kleine satellieten en missies naar andere objecten in het zonnestelsel. Credit: NASA

Innovatieve infraroodsensoren ontwikkeld door NASA verhogen de resolutie voor aarde- en ruimtebeelden, waardoor vooruitgang wordt beloofd in milieubewaking en planetologie.

Een nieuw ontwikkelde infraroodcamera met hoge resolutie en uitgerust met een reeks lichtgewicht filters heeft het potentieel om zonlicht te analyseren dat wordt weerkaatst door de bovenste atmosfeer en het oppervlak van de aarde, bosbrandwaarschuwingen te verbeteren en de moleculaire samenstelling van andere planeten te onthullen.

Deze camera's zijn uitgerust met gevoelige, hoge-resolutie gespannen-laag superroostersensoren, oorspronkelijk ontwikkeld in NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, gefinancierd via het Internal Research and Development (IRAD) programma.

Dankzij hun compacte ontwerp, lage gewicht en veelzijdigheid kunnen ingenieurs zoals Tilak Hewagama ze op maat maken voor diverse wetenschappelijke toepassingen.

“Het direct bevestigen van filters aan de detector elimineert de aanzienlijke massa van traditionele lens- en filtersystemen,” zei Hewagama. “Hierdoor is een lichtgewicht instrument met een compact brandpunt mogelijk dat nu kan worden gekoeld voor infrarooddetectie met behulp van kleinere, efficiëntere koelers. Kleinere satellieten en missies kunnen profiteren van hun resolutie en nauwkeurigheid.”

Engineer Murzy Jhabvala leidde de initiële sensorontwikkeling in NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, evenals de huidige filterintegratie-inspanningen.

Jhabvala leidde ook het Compact Thermal Imager-experiment op het International Space Station dat aantoonde hoe de nieuwe sensortechnologie kon overleven in de ruimte terwijl het een groot succes bleek te zijn voor aardwetenschappen. Meer dan 15 miljoen beelden vastgelegd in twee infraroodbanden leverden uitvinders, Jhabvala en NASA Goddard-collega's Don Jennings en Compton Tucker een agency Invention of the Year award voor 2021 op.

De Compact Thermal Imager legde ongewoon hevige branden vast in Australië vanuit zijn positie op het International Space Station in 2019 en 2020. Met zijn hoge resolutie, heeft hij de vorm en locatie van de vuurfronten gedetecteerd en hoe ver ze waren van bewoonde gebieden - informatie van cruciaal belang voor hulpdiensten. Credit: NASA

Gegevens uit de test leverden gedetailleerde informatie op over bosbranden, een beter begrip van de verticale structuur van de aardse wolken en atmosfeer, en registreerden een opwaartse stroming veroorzaakt door wind die opstijgt van de aardse landkenmerken, een zogenaamde zwaartekrachtgolf.

De baanbrekende infraroodsensoren gebruiken lagen van zich herhalende moleculaire structuren om te interageren met individuele fotonen, of lichteenheden. De sensoren lossen meer golflengten van infrarood op bij een hogere resolutie: 80 meter per pixel vanuit een baan in vergelijking met 375 tot 1.000 meter mogelijk met de huidige thermische camera's.

Het succes van deze hitte-metende camera's heeft investeringen aangetrokken van NASA's Earth Science Technology Office (ESTO), Small Business Innovation en Research, en andere programma's om hun bereik en toepassingen verder aan te passen.

Jhabvala en NASA's Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS) team ontwikkelen een zes-bands versie voor dit jaar's LiDAR, Hyperspectral, & Thermal Imager (G-LiHT) luchtvaartproject. Deze unieke camera zal oppervlaktewarmte meten en vervuiling monitoren en brandobservaties op hoge framedoelen mogelijk maken, zei hij.

NASA Goddard Earth-wetenschapper Doug Morton leidt een ESTO-project dat een Compact Fire Imager ontwikkelt voor het detecteren en voorspellen van bosbranden.

“We gaan niet minder branden zien, dus we proberen te begrijpen hoe branden energie vrijgeven gedurende hun levenscyclus”, zei Morton. “Dit zal ons helpen de nieuwe aard van branden beter te begrijpen in een steeds brandbaarder wordende wereld.”

CFI zal zowel de heetste branden monitoren die meer broeikasgassen vrijgeven, als koelere, smeulende kolen en as die meer koolmonoxide en luchtdeeltjes zoals rook en as produceren.

"Dat zijn essentiële ingrediënten als het gaat om veiligheid en het begrijpen van de broeikasgassen die vrijkomen bij verbranding", zei Morton.

Nadat ze de vuurimager hebben getest tijdens luchtvaartcampagnes, stelt het team van Morton zich voor een vloot van 10 kleine satellieten uit te rusten om wereldwijde informatie te verschaffen over branden met meer beelden per dag.

In combinatie met de volgende generatie computermodellen, zei hij, "kan deze informatie de bosdienst en andere brandbestrijdingsinstanties helpen bij het voorkomen van branden, de veiligheid voor brandweerlieden aan het front verbeteren, en het leven en eigendommen van degenen die in het pad van de branden wonen, beschermen."

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.”