Lasere til at undersøge oprindelsen af ​​liv på en kold måne og tage rum-tidspulsen af ​​stjerneknusende kollisioner

På Saturns kæmpemåne Titan, flydende metan og andre kulbrinter regner ned, udskæring af floder, søer og have i et landskab af frosset vand. Den komplekse kemi på denne iskolde verden kunne være analog med den periode, hvor livet først opstod på Jorden, eller det kan give en helt ny type liv. Og endnu længere – lysår væk i det dybe rum, et sort hul river den ultratætte kerne af en død stjerne, vrider selve rummets struktur og sender bølger af rumtid, der flyver hen over universet.

I Space Laser Assembly Cleanroom (SLAC) ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, Laser and Electro-Optics Branch bygger lasere til NASAs Dragonfly-mission til Titan og Den Europæiske Rumorganisations (ESA) Laser Interferometer Space Antenna (LISA), som vil måle bølger i rum-tid forårsaget af massive kollisioner.

Goddards SLAC er et ekspertisecenter for kunsten og videnskaben om at bygge lasere til avancerede instrumenter til at udforske eksotiske og ekstreme miljøer som dem, der er undersøgt af Dragonfly og LISA.

Lasere er vanskelige - de "vil" ikke arbejde, siger Barry Coyle, fysiker ved NASA Goddard.

"Alt skal være perfekt, " sagde Coyle.

Det er derfor, at det er så afgørende for effektiviteten at samle dem ét sted – både med hensyn til produktion og omkostninger. Dette er ideen bag SLAC, og det blev udtænkt kort efter lanceringen af ​​ICESat-1. ICESat-1 husede Geoscience Laser Altimeter System, som blev produceret på en fælles University of Maryland og Goddard facilitet. Selvom laseren fungerede godt, Coyle sagde, Det kan være dyrt og ineffektivt at producere rumflyvningslasersystemer uden for NASA.

Coyle sagde, at han og andre indså, at disse udgifter kunne reduceres, hvis lasere blev produceret på et internt laboratorium. Derudover tid og energi kunne spares.

Pamela Millar, leder af det geovidenskabelige teknologikontor, var chef for fjernmålingsafdelingen på det tidspunkt og ledede indsatsen for at sikre finansieringen til SLAC, sagde Coyle. Lige siden, laboratoriet har udskåret lasere.

I øjeblikket, Goddard-holdet er ved at udvikle en ultraviolet (UV) laser i SLAC - Dragonfly Mass Spectrometer (DraMS) laseren - til Dragonfly-missionen. Missionen involverer en rotorflylander designet til flere stop på tværs af Titans overflade. Landeren, bliver designet og bygget på Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland, vil bære en komplet pakke af instrumenter til at prøve materialer og udvikle yderligere viden om månens overfladesammensætning og andre egenskaber.

Goddard laseringeniør Matt Mullin arbejder i øjeblikket på DraMS laseren, hvor hans daglige arbejde involverer at bygge eller justere hardware, bygge laseren, eller køre test på underkomponenter.

"I bund og grund, UV-laserstrålen vil blive fokuseret ned i en prøvekop, som rummer nogle af Titans overfladematerialer. Strålen vil desorbere molekylære forbindelser fra prøven og excitere ioner (atomer og molekyler med en netto elektrisk ladning), som skal indtages i massespektrometeret, som forskerne kan bruge til at detektere, hvad prøven består af, " han sagde.

Laseren er spændende, fordi den flyver på en New Frontiers-mission, sagde Mullin. New Frontiers-programmet er et NASA-initiativ, der har til formål at finansiere missioner, der vil udforske dele af solsystemet, der betragtes som høj prioritet i planetarisk videnskab.

"Vi har tidligere sendt en sonde til Titan, men dette instrument og denne mission er bestemt til at løse mange af de mysterier, der er involveret i denne virkelig interessante måne efter tidligere udforskning, " sagde Mullin. "Og det ville være meget interessant at se, om denne måne potentielt kunne rumme nogen form for liv."

Imidlertid, ekstremt kolde temperaturer og metan i Titans atmosfære og på dens overflade udgør forhindringer.

"Hvordan får man en laser der, og hvordan får man den til at virke der?" sagde Coyle. "Det er de to udfordringer."

Det er afgørende, at instrumentet er så lille som muligt, og at vægten og energiforbruget minimeres. Oven i købet, lasere har brug for de perfekte forhold for at fungere korrekt.

"Du er som at balancere et æg på dets ende, det vil altid gerne ikke virke. Du udnytter fotoner (lyspartikler) til at gøre, hvad du vil – det er meget svært, " sagde Coyle.

Det er derfor, SLAC hjælper. Uden SLAC, at producere laseren ville indebære en masse flytning mellem bygninger med separate teams, der arbejder på det.

"Det hjælper med at have en central placering, hvor vi kan lave optikbindingen, rengøringsenheden, al infrastrukturen her – det er fantastisk, " sagde Coyle.

Ud over sit arbejde med Dragonfly, NASA-designede lasere, bidrag til den ESA-ledede LISA-mission, vil blive bygget i laboratoriet. LISA vil være det første rumbaserede observatorium af rumtidsbølger, kaldet gravitationsbølger. ESA søger at teste Einsteins teori om tyngdekraften ved at måle gravitationsbølger i rummet genereret af ekstremt voldsomme begivenheder som sorte hul-kollisioner.

"SLAC er et perfekt sted for os at bygge LISA-laserne, "Anthony Yu, produktudviklingslederen for LISA-laseren, sagde. "LISA-laserne har mange strenge krav, og vi skal opsætte in-situ teststationer for at verificere laserens ydeevne under byggeprocessen. SLAC giver os mulighed for at opsætte specialiserede teststationer til test af laseren i realtid, og også når den gennemgår termiske vakuum-cyklustest, efter at den er samlet."

Paul Stysley, Goddards associerede afdelingschef for laser og elektrooptik, og produktudviklingsansvarlig for DraMS-laseren, sagde hjertet og sjælen i SLAC er i den måde, det strømliner teknologiudviklingen og produktionen af ​​lasere.

"Det, der gør SLAC'en unik, er at have en centraliseret placering til at udvikle, bygge og teste rumflyvningslasersystemer, " sagde Stysley. "Et produktflow og en infrastruktur er på plads til at udvikle, miljøtest og overvåg et laserdesign fra vugge til grav til en rumflyvningsmission, der fører til betydelig reduktion af tekniske risici og omkostninger."

Mullin sagde, at arbejdet med Dragonfly og med holdet har været fantastisk.

"Den sande fornøjelse og den spændende del har været at arbejde sammen med nogle af de bedste ingeniører og videnskabsmænd i verden på dette projekt, " sagde Mullin. "Jeg kan huske, at jeg så Discovery Channel om fremtidig udforskning af ydre måner som Europa eller Titan, men jeg havde aldrig rigtig forestillet mig, at jeg ville være på et af holdene og hjælpe med at udforske det."