Інноваційні інфрачервоні датчики, розроблені NASA, підвищують роздільну здатність для зображень Землі та космосу, обіцяючи прогрес у моніторингу навколишнього середовища та планетології. Нещодавно розроблена інфрачервона камера з високою роздільною здатністю та низкою легких фільтрів має потенціал для аналізу сонячного світла, відбитого від верхніх шарів атмосфери та поверхні Землі, посилення попереджень про лісові пожежі та виявлення молекулярного складу інших планет.
Ці камери оснащені чутливими сенсорами з високою роздільною здатністю напруженого шару суперрешітки, спочатку розробленими в Центрі космічних польотів імені Годдарда НАСА в Грінбелті, штат Меріленд, фінансованому через програму внутрішніх досліджень і розробок (IRAD).
Завдяки компактному дизайну, малій вазі та універсальності такі інженери, як Tilak Hewagama, можуть налаштувати їх для різноманітних наукових застосувань.
Розширені можливості сенсора
«Прикріплення фільтрів безпосередньо до детектора усуває значну масу традиційних систем лінз і фільтрів», — сказав Хевагама. «Це дає змогу створювати інструмент малої маси з компактною фокальною площиною, який тепер можна охолоджувати для інфрачервоного виявлення за допомогою менших, ефективніших охолоджувачів. Менші супутники та місії можуть виграти від їх роздільної здатності та точності ».
Інженер Мурзі Джабвала очолював початкову розробку датчиків у Центрі космічних польотів імені Годдарда NASA в Грінбелті, штат Меріленд, а також керував сьогоднішніми зусиллями з інтеграції фільтрів.
Джабвала також керував експериментом Compact Thermal Imager на Міжнародній космічній станції , який продемонстрував, як нова сенсорна технологія може вижити в космосі, водночас виявившись великим успіхом для науки про Землю. Понад 15 мільйонів зображень, зроблених у двох інфрачервоних діапазонах, принесли винахідникам Джабвалі та колегам з NASA Годдарда Дону Дженнінгсу та Комптону Такеру нагороду агентства «Винахід року» у 2021 році.
Прорив у спостереженні Землі та космосу
Дані випробування надали детальну інформацію про лісові пожежі, краще розуміння вертикальної структури земних хмар і атмосфери, а також зафіксували висхідний потік, спричинений вітром, що піднімається над поверхнею Землі, який називається гравітаційною хвилею.
Інноваційні інфрачервоні датчики використовують шари повторюваних молекулярних структур для взаємодії з окремими фотонами або одиницями світла. Датчики розпізнають більше довжин хвиль інфрачервоного випромінювання з вищою роздільною здатністю: 260 футів (80 метрів) на піксель від орбіти порівняно з 1000-3000 футів (375-1000 метрів), можливими для сучасних тепловізійних камер.
Успіх цих тепловимірювальних камер залучив інвестиції з Управління технологій науки про Землю NASA (ESTO), інновацій та досліджень малого бізнесу та інших програм для подальшого налаштування їх охоплення та застосування.
Джабвала та команда NASA Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS) розробляють шестидіапазонну версію для цьогорічного повітряного проекту LiDAR, Hyperspectral, & Thermal Imager (G-LiHT). За його словами, ця перша у своєму роді камера буде вимірювати тепло поверхні та здійснювати моніторинг забруднення та спостереження за пожежами з високою частотою кадрів.
Зображення пожеж наступного покоління
Вчений NASA Goddard Earth Дуг Мортон очолює проект ESTO, що розробляє компактний пристрій для виявлення та прогнозування лісових пожеж.
«Ми не збираємося бачити менше пожеж, тому ми намагаємося зрозуміти, як пожежі вивільняють енергію протягом свого життєвого циклу», — сказав Мортон. «Це допоможе нам краще зрозуміти нову природу пожеж у світі, що стає все більш займистим».
CFI спостерігатиме як за найгарячішими пожежами, які виділяють більше парникових газів, так і за більш холодними, тліючими вугіллям і попелом, які виробляють більше чадного газу та повітряних часток, таких як дим і попіл.
«Це ключові складові, коли йдеться про безпеку та розуміння парникових газів, які виділяються під час спалювання», — сказав Мортон.
Після того, як вони випробують пожежну камеру під час повітряних кампаній, команда Мортона передбачає оснащення флоту з 10 малих супутників, щоб надавати глобальну інформацію про пожежі з більшою кількістю зображень на день.
У поєднанні з комп’ютерними моделями наступного покоління, за його словами, «ця інформація може допомогти лісовій службі та іншим протипожежним службам запобігти пожежам, підвищити безпеку для пожежників на передовій і захистити життя та майно тих, хто живе на шляху вогню».
Зондування хмар на Землі та за її межами
Оснащений поляризаційними фільтрами датчик може вимірювати, як частинки льоду у верхніх шарах атмосфери Землі розсіюють і поляризують світло, сказав науковець NASA Goddard Earth Донг Ву.
За словами Ву, ці програми доповнять місію NASA PACE — Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem — місія, яка показала свої перші світлові зображення на початку минулого місяця. Обидва вимірюють поляризацію орієнтації світлової хвилі по відношенню до напрямку поширення з різних частин інфрачервоного спектру.
«Поляриметри PACE відстежують видиме та короткохвильове інфрачервоне світло», — пояснив він. «Місія буде зосереджена на дослідженні аерозолів і кольору океану за допомогою денних спостережень. На середніх і довгих інфрачервоних довжинах хвиль новий інфрачервоний поляриметр фіксуватиме властивості хмар і поверхні як вдень, так і вночі».
В іншій спробі Hewagama працює з Jhabvala та Jennings, щоб включити лінійні змінні фільтри, які забезпечують ще більшу деталізацію в інфрачервоному спектрі. Фільтри виявляють обертання та вібрацію атмосферних молекул, а також склад поверхні Землі.
За словами планетолога Керрі Андерсон, ця технологія також може принести користь місіям на скелясті планети, комети та астероїди. Вона сказала, що вони можуть ідентифікувати лід і летючі сполуки, що викидаються у вигляді величезних шлейфів із супутника Сатурна Енцелада.
«По суті, це гейзери з льоду, — сказала вона, — які, звісно, холодні, але випромінюють світло в межах можливостей виявлення нового інфрачервоного датчика. Погляд на шлейфи на фоні Сонця дозволить нам дуже чітко визначити їх склад і вертикальний розподіл».
