Ny NASA-finansieret CubeSat klar til at tage Jordens temperatur fra rummet

Lige pludselig, en lille NASA-finansieret satellit, en af ​​mange passagerer ombord på rumfartøjet SpaceX Dragon, skudt op i himlen på en mission for at bevise, at dens nye teknologi kunne ændre den måde, vi måler jorden på, og til sidst, månen.

Det kompakte infrarøde radiometer i rummet instrument på en CubeSat, også kendt som CIRiS, opsendt fra Cape Canaveral Air Force Station i Florida til den internationale rumstation den 5. december. Satellitten i rygsækstørrelse sigter på at indsamle, behandle og kalibrere infrarøde billeder for at afsløre Jordens temperatur for første gang fra en lille satellit. "Hvis vi kan gøre dette, vi har i høj grad øget værdien af ​​dataene til Earth Science-applikationer, samt jord- og vandforvaltning, "David Osterman, CIRiS Principal Investigator hos Ball Aerospace, sagde.

Landmænd kunne bruge CIRiS' data, når de afgør, om en lund af appelsintræer har brug for mere vand, eller om en vingård er for våd. Faktisk, landmænd, vandforvaltere og andre beslutningstagere er begyndt at bruge fjernregistrerede estimater af vandforbrug fra større sensorer som den termiske infrarøde sensor (TIRS) ombord på Landsat 8, som drives i fællesskab af U.S. Geological Survey og NASA.

CIRiS sigter mod at demonstrere nye muligheder for at komplementere fremtidige NASA jordobservationsmissioner som Landsat, øge hyppigheden af ​​billedindsamling til en potentielt reduceret størrelse og pris. "Vi søger at opnå høj ydeevne i alt, mens vi stadig passer ind i et lille rum, " sagde Osterman.

Selv før CIRiS forlod Jorden, NASA finansierede sin søskende, L-CIriS, som har et "L" for måne, at tage til Månen og bruge lignende instrumenter til at identificere månens mineraler. L-CIRiS vil også blive bygget af Ball Aerospace og blev udvalgt som en del af NASAs Artemis måneprogram, som vil hjælpe NASA med at sende astronauter til Månen i 2024 som en måde at forberede sig på at sende de første mennesker til Mars.

Den jordobserverende CIRiS er i øjeblikket på rumstationen. Det vil blive der i et par uger, indtil det bliver overført til Cygnus-lastkøretøjet, som vil tage den 100 kilometer højere end rumstationen til udsættelse.

Lille satellit, big data

Små satellitter, inklusive CubeSats, spiller en voksende rolle i udforskningen, teknologi demonstration, videnskabelig forskning og pædagogiske undersøgelser ved NASA. Missioner til dato har inkluderet planetarisk rumudforskning, Jordobservationer, og grundlæggende jord- og rumvidenskab. CubeSats bruges også til at udvikle forløber-rumteknologier som banebrydende laserkommunikation, satellit-til-satellit-kommunikation og autonome bevægelsesmuligheder.

CIRiS CubeSat, som kan fjernmåle jordens overfladetemperatur, miniaturiserer en række komponenter og eliminerer andre, som konventionelle instrumenter bruger til at indsamle langbølgebilleder (infrarødt spektrum). Disse billeder angiver varme og kolde områder som farver på et "varmekort"-display.

Når CIRiS indsamler disse billeder, den kalibrerer dem, mens de er i kredsløb, hvilket betyder, at den tildeler validerede numeriske værdier til hver pixel. "Kalibrering giver dig mulighed for at tage data og flytte dem et skridt videre, hvor de har videnskabelig betydning og kan bidrage til faktisk videnskab, " sagde Osterman. Ikke alene kan du se, om et stykke land er varmere end dets omgivelser, du kan se hvor meget.

For eksempel, infrarøde målinger kan hjælpe forskere med bedre at forstå evapotranspiration, som er det vand, der fordampes fra jorden plus det vand, der frigives fra plantebladene, når de transpirerer, eller trække vejret. Evapotranspiration hjælper med at afkøle planterne, så temperaturen er en nøgleindikator for planters vandforbrug. At kende det kvantitative niveau af evapotranspiration er nyttigt for afgrødeavlere, da de bestemmer, hvilke planter der har brug for mere vand.

Formålet med CIRiS-missionen er at validere og demonstrere ny teknologi. Hvis det lykkes, et potentielt næste skridt ville være en mission, der tilføjer muligheden for at indsamle billeder i den synlige del af spektret for at bestemme planters farver og bladareal. Synligt lys kan afsløre, hvor meget sol planter får, og hvor sunde de er.

Anvendelse af data

At indsamle billeder i både det synlige og infrarøde bånd vil hjælpe vindyrkningsindustrien, for eksempel. Druer, der bruges til vin, har brug for særlige betingelser for at blomstre. "Avlerne ønsker typisk at være i stand til at belaste vinstokkene under visse udviklingsstadier for at kontrollere vegetationsvæksten, som bestemmer, hvor meget sukker der udvikles i druerne, blandt andre kvaliteter, "Bill Kustas, en videnskabsmand hos USDA's Agricultural Research Service i Beltsville, Maryland, sagde.

Bill Kustas og kollega Martha Anderson leder et NASA-finansieret projekt kaldet GRAPEX, i samarbejde med vingården E&J Gallo, rettet mod at integrere termisk fjernmålingsinformation i vandingsbeslutningsværktøjer til vinmarker. "Det er en kæmpe udfordring at vande vindruer for at nå de mål, som avlerne ønsker at nå, " sagde Anderson.

I en bredere skala, afgrødeavlere i hele Californien skal være i stand til at rapportere deres vandforbrug for at overholde staten Californiens Sustainable Groundwater Management Act (SGMA), som har til formål at hjælpe staten mere effektivt med at bruge og bevare grundvandsmagasiner, der forsyner den med ferskvand. "Avlerne ser fjernregistrerede evapotranspirationsoplysninger som værdifulde for at overholde SGMA, fordi de kan bruge fjernmålingen til at vurdere, hvor meget vand de bruger i stedet for at forsøge at grave denne information ud af deres kunstvandingsregistre, " sagde Anderson.

Test af teknologien

CIRiS opsamler infrarød energi og bruger et "brændplan" til at konvertere denne energi til et elektrisk signal, svarende til, hvordan et digitalkamera omdanner synlig lysenergi til et elektrisk signal. Mange brændplaner til infrarød detektion kræver drift ved kryogene temperaturer, og skal derfor inkorporere en kryokøler for at bestemme disse temperaturer, sagde Osterman. Holdet besluttede at bruge en anden type fokalplan, der fungerer uden kryoafkøling for at reducere sensorens størrelse.

Selvom CIRiS' brændplan ikke har det samme niveau af følsomhed som et større brændplan med en kryokøler, det håber at kompensere for eventuelle mangler med robuste evner til at behandle dataene. "Vi forsøger at erstatte softwareydeevne med hardwareydeevne, " sagde Osterman. Softwareaspektet, eller databehandling, initieres på rumfartøjet og fortsætter derefter, efter at dataene er downlinket til jorden.

Data indsamlet af CIRiS kan sammenlignes med billeder fra andre NASA termiske sensorer i rummet, såsom ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS). I fællesskab NASA forskningsinstrumenter som CIRiS og ECOSTRESS hjælper med at identificere optimale sensorkarakteristika, der kan omdannes til langsigtede overvågningsprogrammer, sagde Anderson.

Hvis CubeSat har succes med at bevise, at den kan fungere i rummet, Osterman håber at se en lille konstellation af CIRiS-lignende instrumenter, der kredser om Jorden. Flere CubeSats i kredsløb ville give os mulighed for at måle ændringer i evapotranspiration og andre fænomener potentielt så ofte som hver dag.

"Det har været rigtig spændende at se, hvordan små instrumenter og rumfartøjer kan bidrage til vores forståelse af Jorden og i sidste ende Månen, " sagde Osterman.