NASAs kompakte infrarøde kameraer muliggør ny videnskab

Et nyt infrarødt kamera med højere opløsning udstyret med en række letvægtsfiltre kunne undersøge sollys, der reflekteres fra Jordens øvre atmosfære og overflade, forbedre advarsler om skovbrande og afsløre andre planeters molekylære sammensætning.

Kameraerne bruger følsomme supergittersensorer med høj opløsning, som oprindeligt blev udviklet ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Deres kompakte konstruktion, lave masse og tilpasningsevne gør det muligt for ingeniører som Tilak Hewagama at tilpasse dem til behovene i en række forskellige videnskaber.

"Ved at fastgøre filtre direkte til detektoren elimineres den betydelige masse af traditionelle linse- og filtersystemer," sagde Hewagama. "Dette muliggør et lavmasseinstrument med et kompakt brændplan, som nu kan køles til infrarød detektering ved hjælp af mindre, mere effektive kølere. Mindre satellitter og missioner kan drage fordel af deres opløsning og nøjagtighed."

Ingeniøren Murzy Jhabvala ledede den indledende sensorudvikling på NASA's Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, samt ledede nutidens filterintegrationsbestræbelser.

Jhabvala ledede også Compact Thermal Imager-eksperimentet på den internationale rumstation, der demonstrerede, hvordan den nye sensorteknologi kunne overleve i rummet, mens den viste sig at være en stor succes for jordvidenskaben. Mere end 15 millioner billeder taget i to infrarøde bånd gav opfinderne, Jhabvala, og NASA Goddard-kollegerne Don Jennings og Compton Tucker en pris for Årets Opfindelse for bureauet for 2021.

Data fra testen gav detaljerede oplysninger om naturbrande, bedre forståelse af den lodrette struktur af Jordens skyer og atmosfære og fangede en opstrømning forårsaget af vind, der løftede jordens landtræk, kaldet en gravitationsbølge.

De banebrydende infrarøde sensorer bruger lag af gentagne molekylære strukturer til at interagere med individuelle fotoner eller lysenheder. Sensorerne opløser flere infrarøde bølgelængder ved en højere opløsning:260 fod (80 meter) pr. pixel fra kredsløb sammenlignet med 1.000 til 3.000 fod (375 til 1.000 meter) muligt med nuværende termiske kameraer.

Succesen med disse varmemålende kameraer har trukket investeringer fra NASA's Earth Science Technology Office (ESTO), Small Business Innovation and Research og andre programmer for yderligere at tilpasse deres rækkevidde og applikationer.

Jhabvala og NASAs Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS) team er ved at udvikle en seks-bånds version til dette års LiDAR, Hyperspectral &Thermal Imager (G-LiHT) luftbårne projekt. Dette første af sin slags kamera vil måle overfladevarme og muliggøre forureningsovervågning og brandobservationer ved høje billedhastigheder, sagde han.

NASA Goddard Earth-forskeren Doug Morton leder et ESTO-projekt, der udvikler en Compact Fire Imager til detektering og forudsigelse af skovbrande.

"Vi kommer ikke til at se færre brande, så vi forsøger at forstå, hvordan brande frigiver energi over deres livscyklus," sagde Morton. "Dette vil hjælpe os til bedre at forstå den nye natur af brande i en stadig mere brandfarlig verden."

CFI vil overvåge både de varmeste brande, der frigiver flere drivhusgasser og køligere, ulmende kul og aske, som producerer mere kulilte og luftbårne partikler som røg og aske.

"Det er nøgleingredienser, når det kommer til sikkerhed og forståelse af de drivhusgasser, der frigives ved afbrænding," sagde Morton.

Efter at de har testet brandkameraet på luftbårne kampagner, forestiller Mortons team sig at udstyre en flåde på 10 små satellitter for at give global information om brande med flere billeder om dagen.

Kombineret med næste generation af computermodeller, sagde han, "kan denne information hjælpe skovvæsenet og andre brandslukningsorganer med at forhindre brande, forbedre sikkerheden for brandmænd i frontlinjen og beskytte livet og ejendom for dem, der lever i brandvejen."

Undersøge skyer på Jorden og videre

Udstyret med polarisationsfiltre kunne sensoren måle, hvordan ispartikler i jordens øvre atmosfæres skyer spreder og polariserer lys, sagde NASA Goddard Earth-forsker Dong Wu.

Disse applikationer ville komplementere NASA's PACE-Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem-mission, sagde Wu, som afslørede sine første lysbilleder tidligere på måneden. Begge måler polariseringen af ​​lysbølgens orientering i forhold til bevægelsesretningen fra forskellige dele af det infrarøde spektrum.

"PACE-polarimetrene overvåger synligt og kortbølge-infrarødt lys," forklarede han. "Missionen vil fokusere på aerosol- og havfarvevidenskab fra dagtidsobservationer. Ved middel- og lang-infrarøde bølgelængder vil det nye infrarøde polarimeter fange sky- og overfladeegenskaber fra både dag- og natobservationer."

I en anden indsats arbejder Hewagama sammen med Jhabvala og Jennings om at inkorporere lineære variable filtre, som giver endnu flere detaljer inden for det infrarøde spektrum. Filtrene afslører atmosfæriske molekylers rotation og vibration samt Jordens overfladesammensætning.

Den teknologi kan også gavne missioner til klippeplaneter, kometer og asteroider, sagde planetforsker Carrie Anderson. Hun sagde, at de kunne identificere is og flygtige forbindelser, der udsendes i enorme faner fra Saturns måne Enceladus.

"De er i det væsentlige gejsere af is," sagde hun, "som selvfølgelig er kolde, men udsender lys inden for den nye infrarøde sensors detektionsgrænser. At se på fanerne mod solens baggrund ville give os mulighed for at identificere deres sammensætning og lodrette fordeling meget tydeligt."

Leveret af NASA