Næste generation af fotodetektorkamera, der skal implementeres under demonstrationsmission for robotservice

Afprøvning af værktøjer og teknologier til tankning og reparation af satellitter i kredsløb vil ikke være den eneste demonstration, der finder sted ombord på den internationale rumstation under NASAs næste Robotic Refueling Mission 3, eller RRM3.

En avanceret, meget kompakt termisk kamera, der sporer sin arv til en, der nu flyver på NASAs Landsat 8, er blevet monteret i et hjørne af RRM3 -nyttelasten, og fra den position vil billedet og videooptage Jordens overflade nedenfor, når SpaceX Dragon -forsyningsvognen leverer nyttelasten til den cirkulerende forpost i november.

Mens RRM3 demonstrerer sine specialudviklede satellitserviceværktøjer udviklet af NASA's Satellite Servicing Projects Division, dens blafferkammerat, den kompakte termiske billedkamera, eller CTI, vil afbilde og måle brande, iskapper, gletsjere, og sneoverfladetemperaturer.

CTI vil også måle overførslen af ​​vand fra jord og planter til atmosfæren - vigtige målinger for at forstå plantevækst. Mange af de forhold, som jordforskere studerer, herunder disse, detekteres let i de infrarøde eller termiske bølgelængdebånd.

Strained-Layer Superlattice-teknologi muliggør CTI

CTI's muliggørende teknologi er en relativt ny fotodetektorteknologi kendt som Strained-Layer Superlattice, eller SLS.

Ud over at være meget lille, måler næsten 16 inches lang og seks inches høj, SLS bruger lidt strøm, fungerer ved flydende nitrogen temperaturer, er let fremstillet i et højteknologisk miljø, og er billig "næsten til det punkt, at den er til engangsbrug, " sagde Murzy Jhabvala, en detektoringeniør ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Jhabvala samarbejdede med sin industripartner, den New Hampshire-baserede QmagiQ, at udvikle SLS-detektorenheden.

Detektorteknologien tilpasses også hurtigt og nemt til forskellige applikationer, han tilføjede. Goddard Detector Development Laboratory, for eksempel, for nylig fremstillet en 1, 024 x 1, 024-pixel SLS-array og planlægger at øge størrelsen til 2, 048 x 2, 048 pixels i den nærmeste fremtid.

En anden mulig teknologi, som CTI og dens SLS-detektorer vil anvende, er den Goddard-udviklede SpaceCube 2.0, et kraftfuldt hybridt computersystem, der vil styre instrumentet og behandle de billeder og video, det tager, mens det er i kredsløb.

Demonstrationens mål, Jhabvala sagde, er at hæve SLS's teknologiberedskabsniveau til ni – eller TRL-9 – hvilket betyder, at den har fløjet i rummet og har demonstreret, at den fungerer godt under de ekstreme miljøforhold, der findes i rummet. "Dette er en meget vigtig teknologisk milepæl, " sagde Jhabvala. "Vi havde brug for denne mission. Når vi demonstrerer vores detektorarray, der kan laves flere kopier, samlet, og justeret ind i fokalplan-arrays, der ville give os mulighed for at afbilde store dele af Jordens overflade fra rummet i fremtiden."

QWIP baseret

SLS er baseret på Quantum Well Infrared Photodetector, eller QWIP, teknologi, som Jhabvala og hans regerings- og industrisamarbejdspartnere brugte mere end to årtier på at forfine. QWIP-detektorerne fungerer nu på Landsat 8 og vil flyve på det kommende Landsat 9 Thermal Infrared Sensor Instrument, som Goddard-videnskabsmænd byggede for at overvåge ebbe og flod af jordoverfladeniveauer og vegetationens sundhed - data, som vestlige stater bruger til at overvåge vandforbruget.

Ligesom sin QWIP -forgænger, SLS er en storformatdetektor. Arrays er fremstillet på en halvlederwafer. Waferens overflade består af hundredvis af alternerende, meget tynde lag af forskellige materialer, der er epitaksialt dyrket og indstillet til at absorbere infrarøde fotoner og omdanne dem til elektroner - de fundamentale partikler, der bærer en elektrisk strøm. Kun lys med en bestemt energi, eller bølgelængde, kan frigive elektronerne. En udlæsningschip, der er direkte parret med arrayet, konverterer derefter elektronerne til en spænding, som en computer bruger til at genskabe et billede af den infrarøde kilde. CTI kan også optage video fra sin bane næsten 249 miles over Jordens overflade.

Ti gange mere følsom

Sammenlignet med sin QWIP-forgænger, SLS -detektorer er 10 gange mere følsomme og fungerer over et bredere infrarødt spektralområde og ved væsentligt varmere temperaturer -70K (ca. -334 grader Fahrenheit) for SLS -arrayet sammenlignet med 42K (ca. -384 grader Fahrenheit) for QWIP -arrayet.

Stigningen i driftstemperatur vil have flere positive virkninger på fremtidige missioner, sagde Jhabvala.

Infrarød stråling opfattes som varme. Derfor, Detektorer, der er designet til at måle infrarøde bølgelængder, skal afkøles for at forhindre, at varme genereret inde i et instrument eller rumfartøj forurener målingerne af det objekt, der observeres. Det er derfor, ingeniører bruger kryokølere og andre enheder til at holde detektorarrays og andre kritiske instrumentkomponenter så kolde som nødvendigt.

Fordi Jhabvala og hans team har skabt et array, der kan fungere ved varmere temperaturer, dens kølesystem er mindre og bruger mindre strøm. I fremtiden, disse egenskaber vil føre til mindre satellitter, øget levetid, kortere byggecyklusser, og lavere omkostninger, sagde Jhabvala.

Blot et par måneder før RRM3-lanceringen, Jhabvala reflekterede over udviklingen af ​​sin fotodetektorteknologi og samarbejde med QmagiQ, som har modtaget NASA Small Business Innovation Research-bevillinger til at skabe den teknologi, som CTI-teamet derefter robuste til brug i rummet. "Sammen, med dette firma, vi har gjort nogle fremragende præstationer gennem årene, " sagde Jhabvala. "Vores igangværende samarbejde har givet nogle virkelig ekstraordinære afkast for NASA og den amerikanske regering. Jeg giver QmagiQ og NASA en masse kredit."