NASA prezentuje rewolucyjne kamery na podczerwień do badania Ziemi i Kosmosu

Inżynier z Goddard, Murzy Jhabvala, trzyma serce swojej technologii kamery Compact Thermal Imager - wysokorozdzielczościowego, wysokiego zakresu spektralnego czujnika podczerwieni odpowiedniego dla małych satelitów i misji do innych obiektów w Układzie Słonecznym. Kredyt: NASA

Innowacyjne czujniki podczerwieni opracowane przez NASA zwiększają rozdzielczość obrazów Ziemi i kosmosu, obiecując postępy w monitoringu środowiskowym i nauce planetarnej.

Nowo opracowana kamera podczerwieni o wysokiej rozdzielczości, wyposażona w szereg lekkich filtrów, ma potencjał analizowania światła słonecznego odbitego od górnych warstw atmosfery i powierzchni Ziemi, zwiększania skuteczności alarmów pożarowych lasów, oraz odkrywania składu molekularnego innych planet.

Kamery te są wyposażone w czułe czujniki o wysokiej rozdzielczości z nadmiernie naprężonymi warstwami nadkładu, pierwotnie opracowane w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA w Greenbelt w stanie Maryland, finansowane za pośrednictwem programu Internal Research and Development (IRAD).

Dzięki kompaktowej konstrukcji, niskiej masie i różnorodności, inżynierowie tacy jak Tilak Hewagama mogą dostosowywać je do różnych zastosowań naukowych.

„Bezpośrednie przymocowanie filtrów do detektora eliminuje znaczną masę tradycyjnych układów soczewek i filtrów,” powiedział Hewagama. „To pozwala na niskomasywny instrument o kompaktowym płaszczyźnie ogniskowej, który teraz może być wystudzony do wykrywania podczerwieni przy użyciu mniejszych, bardziej wydajnych chłodziarek. Ich rozdzielczość i dokładność mogą przynieść korzyści mniejszym satelitom i misjom”.

Inżynier Murzy Jhabvala kierował początkowym rozwojem czujników w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA w Greenbelt w stanie Maryland, a także obecnie jest liderem prac nad integracją filtrów.

Jhabvala także był liderem eksperymentu Compact Thermal Imager na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który pokazał, jak nowa technologia czujników mogła przetrwać w kosmosie, jednocześnie przynosząc ogromne sukcesy dla nauki o Ziemi. Ponad 15 milionów obrazów zarejestrowanych w dwóch pasmach podczerwieni przyniosło wynalazcom: Jhabvali i jego kolegom z NASA Goddard, Donowi Jenningsowi i Comptonowi Tuckerowi, nagrodę za wynalazek roku 2021.

Kompaktowy Imager Termiczny rejestrował niezwykle silne pożary w Australii ze swojego stanowiska na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w latach 2019 i 2020. Dzięki swojej wysokiej rozdzielczości, ujawniał kształt i położenie frontów ognia oraz to, jak daleko były od zamieszkanych obszarów - informacje niezwykle ważne dla służb ratunkowych. Kredyt: NASA

Dane z testu dostarczyły szczegółowych informacji na temat pożarów, lepszego zrozumienia pionowej struktury chmur i atmosfery Ziemi oraz ukazały updraft spowodowany wiatrem unoszącym się od cech lądowych Ziemi, zwany falą grawitacyjną.

Przełomowe czujniki podczerwieni używają warstw powtarzających się struktur molekularnych do interakcji z pojedynczymi fotonami, czyli jednostkami światła. Czujniki rozdzielają więcej długości fal podczerwieni w wyższej rozdzielczości: 80 metrów na piksel z orbity, w porównaniu do 375 do 1000 metrów możliwych do osiągnięcia obecnie stosowanymi kamerami termicznymi.

Sukces tych kamer mierzących ciepło przyciągnął inwestycje Biura Technologii Nauki o Ziemi NASA (ESTO), Small Business Innovation and Research oraz innych programów do dalszego dostosowywania ich zasięgu i zastosowań.

Jhabvala i zespół NASA ALTIRS (Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor) rozwijają sześciopasmową wersję kamery na tegoroczny projekt lidarowy, hiperspektralny i termiczny (G-LiHT). Ta pierwsza w swoim rodzaju kamera będzie mierzyć ciepło powierzchni i umożliwi monitorowanie zanieczyszczenia oraz obserwacje pożarów przy wysokich częstotliwościach klatek, powiedział.

Naukowiec z NASA Goddard, Doug Morton, prowadzi projekt ESTO rozwijający Compact Fire Imager do wykrywania i przewidywania pożarów.

„Nie zobaczymy mniej pożarów, więc staramy się zrozumieć, jak pożary uwalniają energię podczas swojego cyklu życia,” powiedział Morton. „Pomoże nam to lepiej zrozumieć nową naturę pożarów w coraz bardziej łatwopalnym świecie”.

CFI będzie monitorować zarówno najgorętsze pożary, które wydzielają więcej gazów cieplarnianyh, jak i chłodniejsze, tleniące się węgle i popioły, które wytwarzają więcej tlenku węgla i cząstek unoszących się w powietrzu, takich jak dym i popiół.

„Te składniki są kluczowe, gdy chodzi o bezpieczeństwo i zrozumienie gazów cieplarnianych wydzielanych podczas spalania,” powiedział Morton.

Po przetestowaniu imagera pożarowego na kampaniach powietrznych, zespół Morton'a planuje wyposażenie floty 10 małych satelitów, aby dostarczać globalne informacje o pożarach z większą ilością zdjęć dziennie.

W połączeniu z nowoczesnymi modelami komputerowymi, powiedział, „te informacje mogą pomóc służbie leśnej i innym agencjom przeciwdziałającym pożarom zapobiegać pożarom, poprawiać bezpieczeństwo strażaków na pierwszej linii i chronić życie i własność osób mieszkających na drodze pożarów”.

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.”