NASA og MIT samarbejder om at udvikle rumbaseret kvantepunktspektrometer

En NASA-teknolog er gået sammen med opfinderen af ​​en ny nanoteknologi, der kan ændre den måde, rumforskere bygger spektrometre på, det altafgørende apparat, der bruges af stort set alle videnskabelige discipliner til at måle egenskaberne af lys, der kommer fra astronomiske objekter, herunder Jorden selv.

Mahmooda Sultana, en forskningsingeniør ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, nu samarbejder med Moungi Bawendi, en kemiprofessor ved det Cambridge-baserede Massachusetts Institute of Technology, eller MIT, at udvikle et prototype billeddannelsesspektrometer baseret på den nye kvanteprikteknologi, som Bawendis gruppe var banebrydende.

NASA's Center Innovation Fund, som understøtter potentielt banebrydende, højrisikoteknologier, finansierer indsatsen.

Introduktion til Quantum Dots

Kvanteprikker er en type halvledernanokrystal, der blev opdaget i begyndelsen af ​​1980'erne. Usynlig for det blotte øje, prikkerne har i test vist sig at absorbere forskellige bølgelængder af lys afhængigt af deres størrelse, form, og kemisk sammensætning. Teknologien er lovende for applikationer, der er afhængige af analyse af lys, inklusive smartphone kameraer, hospitalsudstyr, og miljøtestudstyr.

"Dette er så nyt, som det bliver, "Sultana sagde, med henvisning til den teknologi, som hun mener kan miniaturisere og potentielt revolutionere rumbaserede spektrometre, især dem, der bruges på ubeboede luftfartøjer og små satellitter. "Det kunne virkelig forenkle instrumentintegration."

Absorptionsspektrometre, som deres navn antyder, måle absorptionen af ​​lys som en funktion af frekvens eller bølgelængde på grund af dets interaktion med en prøve, såsom atmosfæriske gasser.

Efter at have passeret gennem eller interageret med prøven, lyset når spektrometeret. Traditionelle spektrometre bruger gitre, prismer, eller interferensfiltre for at opdele lyset i dets komponentbølgelængder, som deres detektorpixel derefter registrerer for at producere spektre. Jo mere intens absorptionen i spektrene er, jo større tilstedeværelse af et specifikt kemikalie.

Mens rumbaserede spektrometre bliver mindre på grund af miniaturisering, de er stadig relativt store, sagde Sultana. "Højere spektral opløsning kræver lange optiske stier for instrumenter, der bruger riste og prismer. Dette resulterer ofte i store instrumenter. Mens her, med kvanteprikker, der fungerer som filtre, der absorberer forskellige bølgelængder afhængigt af deres størrelse og form, vi kan lave et ultrakompakt instrument. Med andre ord, du kunne fjerne optiske dele, som riste, prismer, og interferensfiltre."

Lige så vigtigt, teknologien gør det muligt for instrumentudvikleren at generere næsten et ubegrænset antal forskellige prikker. Når deres størrelse falder, bølgelængden af ​​lyset, som kvanteprikkerne vil absorbere, falder. "Dette gør det muligt at producere en kontinuerlig tunbar, endnu tydelig, sæt af absorberende filtre, hvor hver pixel er lavet af en kvanteprik af en bestemt størrelse, form, eller sammensætning. Vi ville have præcis kontrol over, hvad hver prik absorberer. Vi kunne bogstaveligt talt tilpasse instrumentet til at observere mange forskellige bånd med højspektral opløsning."

Prototype instrument under udvikling

Med hendes NASA-teknologiudviklingsstøtte, Sultana arbejder på at udvikle, kvalificere sig gennem termisk vakuum og vibrationstest, og demonstrere et 20-til-20-kvante-dot-array, der er følsomt over for synlige bølgelængder, der er nødvendige for at forestille sol og aurora. Imidlertid, teknologien kan nemt udvides til at dække et bredere spektrum af bølgelængder, fra ultraviolet til mellem-infrarød, som kan finde mange potentielle rumapplikationer inden for jordvidenskab, heliofysik, og planetarisk videnskab, hun sagde.

Under samarbejdet Sultana er ved at udvikle et instrumentkoncept specielt til en CubeSat-applikation, og MIT-doktorand Jason Yoo undersøger teknikker til at syntetisere forskellige prækursorkemikalier for at skabe prikkerne og derefter printe dem på et passende substrat. "Ultimativt, vi ønsker at printe prikkerne direkte på detektorpixelerne, " hun sagde.

"Dette er en meget innovativ teknologi, " tilføjede Sultana, indrømmer, at det er meget tidligt i sin udvikling. "Men vi forsøger at hæve dets teknologiberedskab meget hurtigt. Adskillige rumvidenskabelige muligheder, der kunne være til gavn, er i pipelinen."