NASA avtäcker banbrytande infraröda kameror för jord- och rymdforskning

Goddard-ingenjören Murzy Jhabvala håller i hjärtat av sin Compact Thermal Imager-kamerateknik - en högupplöst, högspektral infraröd sensor som är lämplig för små satelliter och uppdrag till andra solsystemobjekt. Fotograf: NASA

Innovativa infraröda sensorer utvecklade av NASA ökar upplösningen för bildbehandling av jorden och rymden, vilket lovar framsteg inom miljöövervakning och planetvetenskap.

En nyutvecklad infraröd kamera med hög upplösning och utrustad med en rad lätta filter har potential att analysera solljus reflekterat från jordens övre atmosfär och yta, förbättra varningar om skogsbränder och avslöja den molekylära sammansättningen av andra planeter.

Dessa kameror är utrustade med känsliga, högupplösta sammansatta superskiktssensorer, ursprungligen utvecklade vid NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, finansierade genom det interna forsknings- och utvecklingsprogrammet (IRAD).

Tack vare sin kompakta design, låga vikt och mångsidighet kan ingenjörer som Tilak Hewagama anpassa dem för olika vetenskapliga tillämpningar.

"Att fästa filter direkt på detektorn eliminerar den betydande massan av traditionella lins- och filtersystem," sa Hewagama. "Detta möjliggör ett lågmassainstrument med en kompakt fokalplan som nu kan kylas ner för infraröd detektion med hjälp av mindre, mer effektiva kylare. Mindre satelliter och uppdrag kan dra nytta av deras upplösning och noggrannhet."

Ingenjören Murzy Jhabvala ledde den ursprungliga sensorns utveckling på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, liksom dagens filterintegrationsinsatser.

Jhabvala ledde också Compact Thermal Imager-experimentet på den internationella rymdstationen som visade hur den nya sensor tekniken kunde överleva i rymden samtidigt som det blev en stor framgång för jordvetenskapen. Mer än 15 miljoner bilder fångade i två infraröda band gav uppfinnarna, Jhabvala och NASA Goddard-kollegorna Don Jennings och Compton Tucker ett agenturspris för årets uppfinning för 2021.

Den kompakta värmekamera fångade ovanligt svåra bränder i Australien från sin plats på den internationella rymdstationen 2019 och 2020. Med sin höga upplösning, upptäcktes formen och platsen för eldfronterna och hur långt de var från bebyggda områden - information som är extremt viktig för första hjälparna. Fotograf: NASA

Data från testet gav detaljerad information om skogsbränder, en bättre förståelse för den vertikala strukturen på jordens moln och atmosfär, och fångade ett uppåtsug som orsakats av vind som lyfter från jordlandets landfunktioner som kallas en gravitationsvåg.

De banbrytande infraröda sensorerna använder lager av upprepade molekylstrukturer för att interagera med enskilda fotoner, eller ljusenheter. Sensorerna löser fler våglängder av infrarött vid en högre upplösning: 80 meter per pixel från omloppsbana jämfört med 375 till 1 000 meter möjligt med nuvarande värmekameror.

Framgången för dessa värmemätande kameror har lockat investeringar från NASA:s Earth Science Technology Office (ESTO), Small Business Innovation and Research och andra program för att ytterligare anpassa deras räckvidd och applikationer.

Jhabvala och NASAs Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS) -team utvecklar en sexbandsversion för detta års LiDAR, Hyperspectral, & Thermal Imager (G-LiHT) flygprojekt. Denna första kamera av sitt slag kommer att mäta ytvärme och möjliggöra övervakning av föroreningar och observationer av bränder vid höga bildfrekvenser, sa han.

NASA Goddard-jordvetenskapsman Doug Morton leder ett ESTO-projekt som utvecklar en kompakt brandkamera för upptäckt och förutsägelse av skogsbränder.

"Vi kommer inte att se färre bränder, så vi försöker förstå hur bränder frigör energi under sin livscykel," sa Morton. "Detta kommer att hjälpa oss att bättre förstå den nya naturen av bränder i en allt mer lättantändlig värld."

CFI kommer att övervaka både de hetaste bränderna som släpper ut mer växthusgaser och svalare, pyrande kol och aska som producerar mer kolmonoxid och luftburna partiklar som rök och aska.

"Dessa är nyckelingredienser när det gäller säkerhet och förståelse för de växthusgaser som frigörs vid förbränning," sa Morton.

Efter att de har testat brandkameran på flygande kampanjer, föreställer sig Mortons team att utrusta en flotta på 10 små satelliter för att ge global information om bränder med fler bilder per dag.

I kombination med nästa generationens dator modeller, sa han, "kan denna information hjälpa skogstjänsten och andra brandbekämpnings organ att förhindra bränder, förbättra säkerheten för brandmän på frontlinjen och skydda liv och egendom för de som bor i eldens väg."

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.”