NASA-ingeniør udvikler lille, kraftig laser til at finde vand på månen

At finde vand på månen kunne være lettere med en Goddard-teknologi, der bruger en effekt kaldet kvantetunneling til at generere en kraftig terahertz-laser, der udfylder et hul i eksisterende laserteknologi.

Lokalisering af vand og andre ressourcer er en NASA-prioritet, der er afgørende for at udforske Jordens naturlige satellit og andre objekter i solsystemet og videre. Tidligere eksperimenter udledte og bekræftede derefter eksistensen af ​​små mængder vand på tværs af månen. De fleste teknologier skelner dog ikke mellem vand, frie hydrogenioner og hydroxyl, da de anvendte bredbåndsdetektorer ikke kan skelne mellem de forskellige flygtige stoffer.

Goddard-ingeniør Dr. Berhanu Bulcha sagde, at en type instrument kaldet et heterodyn-spektrometer kunne zoome ind på bestemte frekvenser for endeligt at identificere og lokalisere vandkilder på månen. Det ville have brug for en stabil, kraftig terahertz-laser, som blev udarbejdet i samarbejde med Longwave Photonics gennem NASA's Small Business Innovation Research (SBIR)-program.

"Denne laser giver os mulighed for at åbne et nyt vindue for at studere dette frekvensspektrum," sagde han. "Andre missioner fandt hydrering på månen, men det kunne tyde på hydroxyl eller vand. Hvis det er vand, hvor kom det så fra? Er det hjemmehørende i månens dannelse, eller kom det senere ved kometnedslag? Hvor meget vand er det der? Vi er nødt til at besvare disse spørgsmål, fordi vand er afgørende for overlevelse og kan bruges til at lave brændstof til yderligere udforskning."

Som navnet antyder, registrerer spektrometre spektre eller bølgelængder af lys for at afsløre de kemiske egenskaber af stof, som lyset har rørt ved. De fleste spektrometre har en tendens til at fungere på tværs af brede dele af spektret. Heterodyne-instrumenter ringer ind til meget specifikke lysfrekvenser såsom infrarød eller terahertz. Hydrogenholdige forbindelser som vand udsender fotoner i terahertz-frekvensområdet - 2 billioner til 10 billioner cyklusser i sekundet - mellem mikrobølge og infrarød.

Som et mikroskop for subtile forskelle inden for en båndbredde som terahertz, kombinerer heterodyne spektrometre en lokal laserkilde med indkommende lys. Måling af forskellen mellem laserkilden og den kombinerede bølgelængde giver nøjagtige aflæsninger mellem underbåndbredder af spektret.

Traditionelle lasere genererer lys ved at excitere en elektron i et atoms ydre skal, som derefter udsender en enkelt foton, når den skifter, eller vender tilbage til sit hvilende energiniveau. Forskellige atomer producerer forskellige frekvenser af lys baseret på den faste mængde energi, det tager at excitere en elektron. Men lasere kommer til kort i en bestemt del af spektret mellem infrarød og mikrobølge, kendt som terahertz-gabet.

"Problemet med eksisterende laserteknologi," sagde Dr. Bulcha, "er, at ingen materialer har de rigtige egenskaber til at producere en terahertz-bølge."

Elektromagnetiske oscillatorer som dem, der genererer radio- eller mikrobølgefrekvenser, producerer laveffekts terahertz-impulser ved at bruge en række forstærkere og frekvensmultiplikatorer til at udvide signalet til terahertz-området. Denne proces bruger dog meget spænding, og de materialer, der bruges til at forstærke og multiplicere pulsen, har begrænset effektivitet. Det betyder, at de mister strøm, når de nærmer sig terahertz-frekvenserne.

Fra den anden side af terahertz-gabet pumper optiske lasere energi ind i en gas for at generere fotoner. Imidlertid er kraftige terahertz-båndlasere store, strømkrævende og ikke egnede til rumudforskningsformål, hvor masse og kraft er begrænset, især håndholdte eller små satellitapplikationer. Pulsens kraft falder også, når optiske lasere skubber mod terahertz-båndbredderne.

For at udfylde dette hul udvikler Dr. Bulchas team kvantekaskadelasere, der producerer fotoner fra hver elektronovergangsbegivenhed ved at drage fordel af noget unikt, kvanteskalafysik af materialer, der kun er et par atomer tykke.

I disse materialer udsender en laser fotoner i en specifik frekvens bestemt af tykkelsen af ​​vekslende lag af halvledere i stedet for elementerne i materialet. I kvantefysikken øger de tynde lag chancen for, at en foton så kan tunnelere igennem til det næste lag i stedet for at hoppe af barrieren. Når den først er der, exciterer den yderligere fotoner. Ved at bruge et generatormateriale med 80 til 100 lag, i alt mindre end 10 til 15 mikron tykt, skaber holdets kilde en kaskade af terahertz-energifotoner.

Denne kaskade bruger mindre spænding for at generere et stabilt, kraftigt lys. En ulempe ved denne teknologi er, at dens stråle spredes ud i en stor vinkel og spredes hurtigt over korte afstande. Ved at bruge innovativ teknologi understøttet af Goddards interne forskning og udvikling (IRAD)-finansiering integrerede Dr. Bulcha og hans team laseren på en bølgeleder med en tynd optisk antenne for at stramme strålen. Den integrerede laser- og bølgelederenhed reducerer denne dissipation med 50 % i en pakke mindre end en fjerdedel.

Han håber at fortsætte arbejdet med at lave en flyveklar laser til NASAs Artemis-program.

Laserens lave størrelse og strømforbrug gør, at den kan passe i en 1U CubeSat, på størrelse med en tekande, sammen med spektrometerhardware, processor og strømforsyning. Det kan også drive en håndholdt enhed til brug af fremtidige opdagelsesrejsende på månen, Mars og videre. + Udforsk yderligere

Opbygning af en lys fremtid for lasere