På Saturnus jättemåne Titan, flytande metan och andra kolväten regnar ner, snida floder, sjöar och hav i ett landskap av fruset vatten. Den komplexa kemin i denna isiga värld kan vara analog med den period då livet först uppstod på jorden, eller det kan ge en helt ny typ av liv. Och ännu längre — ljusår bort i rymden, ett svart hål river sönder den ultratäta kärnan av en död stjärna, förvränga själva rymdens struktur och skicka vågor av rymdtid som flyger över universum.

På Space Laser Assembly Cleanroom (SLAC) vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, Laser and Electro-Optics Branch bygger lasrar för NASA:s Dragonfly-uppdrag till Titan och Europeiska rymdorganisationens (ESA) Laser Interferometer Space Antenna (LISA), som kommer att mäta vågor i rum-tid orsakade av massiva kollisioner.

Goddards SLAC är ett expertcentrum för konsten och vetenskapen att bygga lasrar för avancerade instrument för att utforska exotiska och extrema miljöer som de som undersökts av Dragonfly och LISA.

Lasrar är svåra – de "vill" inte fungera, säger Barry Coyle, fysiker vid NASA Goddard.

"Allt måste vara perfekt, " sa Coyle.

Det är därför det är så avgörande för effektiviteten att montera dem på ett ställe – både i produktion och kostnad. Detta är idén bakom SLAC, och det skapades kort efter lanseringen av ICESat-1. ICESat-1 inhyste Geoscience Laser Altimeter System, som producerades vid en gemensam anläggning vid University of Maryland och Goddard. Även om lasern fungerade bra, Coyle sa, Det kan vara dyrt och ineffektivt att producera lasersystem för rymdflyg utanför NASA.

Coyle sa att han och andra insåg att dessa utgifter kunde minskas om lasrar tillverkades i ett internt laboratorium. Dessutom, tid och energi kan sparas.

Pamela Millar, chef för kontoret för geovetenskaplig teknik, var chef för fjärranalysavdelningen vid den tiden och ledde arbetet med att säkra finansieringen för SLAC, sa Coyle. Alltsedan, labbet har kört ut lasrar.

För närvarande, Goddard-teamet utvecklar en ultraviolett (UV) laser i SLAC-lasern Dragonfly Mass Spectrometer (DraMS) för Dragonfly-uppdraget. Uppdraget involverar en rotorcraft lander designad för flera stopp över Titans yta. Landaren, designas och byggs vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory i Laurel, Maryland, kommer att bära en hel uppsättning instrument för att prova material och utveckla ytterligare kunskap om månens ytsammansättning och andra egenskaper.

Goddards laseringenjör Matt Mullin arbetar för närvarande på DraMS-lasern, där hans dagliga arbete involverar att bygga eller anpassa hårdvara, bygga lasern, eller köra testning på underkomponenter.

"I grund och botten, UV-laserstrålen kommer att fokuseras ner i en provkopp, som rymmer en del av Titans ytmaterial. Strålen kommer att desorbera molekylära föreningar från provet och excitera joner (atomer och molekyler med en elektrisk nettoladdning) som ska intas i masspektrometern som forskarna kan använda för att detektera vad provet består av, " han sa.

Lasern är spännande eftersom den flyger på ett New Frontiers-uppdrag, sa Mullin. New Frontiers-programmet är ett NASA-initiativ som syftar till att finansiera uppdrag som ska utforska delar av solsystemet som anses vara högprioriterade inom planetvetenskapen.

"Vi har skickat en sond till Titan tidigare, men det här instrumentet och det här uppdraget är avsett att lösa många av mysterierna som är involverade med denna riktigt intressanta måne efter tidigare utforskning, ", sa Mullin. "Och att se om denna måne potentiellt kan hysa någon form av liv skulle vara mycket intressant."

Dock, extremt kalla temperaturer och metan i Titans atmosfär och på dess yta utgör hinder.

"Hur får man dit en laser och hur får man det att fungera där?" sa Coyle. "Det är de två utmaningarna."

Det är viktigt att instrumentet är så litet som möjligt och att vikten och energiförbrukningen minimeras. Dessutom, lasrar behöver de perfekta förhållandena för att fungera korrekt.

"Du är som att balansera ett ägg på dess ände, den vill alltid inte fungera. Du utnyttjar fotoner (ljuspartiklar) för att göra vad du vill – det är väldigt svårt, " sa Coyle.

Det är därför SLAC hjälper. Utan SLAC, att producera lasern skulle innebära mycket förflyttning mellan byggnader med separata team som arbetar med den.

"Det hjälper att ha en central plats där vi kan göra optikbindningen, rengöringsenheten, all infrastruktur här – det är fantastiskt, " sa Coyle.

Förutom arbetet med Dragonfly, NASA-designade lasrar, bidrag till det ESA-ledda LISA-uppdraget, kommer att byggas i labbet. LISA kommer att vara det första rymdbaserade observatoriet av rymdtidsvågor, kallas gravitationsvågor. ESA försöker testa Einsteins gravitationsteori genom att mäta gravitationsvågor i rymden som genereras av extremt våldsamma händelser som kollisioner med svarta hål.

"SLAC är en perfekt plats för oss att bygga LISA-lasrarna, "Anthony Yu, produktutvecklingsledaren för LISA-lasern, sa. "LISA-lasrarna har många stränga krav och vi måste sätta upp teststationer på plats för att verifiera laserprestanda under byggprocessen. SLAC tillåter oss att sätta upp specialiserade teststationer för att testa lasern i realtid och även när den genomgår termiska vakuumcykeltester efter det att den har monterats."

Paul Stysley, Goddards associerade grenchef för laser och elektrooptik, och produktutvecklingsledare för DraMS-lasern, sade att hjärtat och själen hos SLAC ligger i hur det effektiviserar den tekniska utvecklingen och produktionen av lasrar.

"Det som gör SLAC unik är att ha en centraliserad plats att utveckla, bygga och testa lasersystem för rymdflyg, " Stysley sa. "Ett produktflöde och infrastruktur finns på plats för att utveckla, miljötesta och övervaka en laserdesign från vagga till grav för ett rymdfärdsuppdrag som leder till betydande minskning av tekniska risker och kostnader."

Mullin sa att arbetet med Dragonfly och med teamet har varit fantastiskt.

"Det verkliga nöjet och den spännande delen har varit att arbeta med några av de bästa ingenjörerna och forskarna i världen på detta projekt, ", sa Mullin. "Jag minns att jag såg Discovery Channel om framtida utforskning av yttre månar som Europa eller Titan, men jag hade aldrig riktigt föreställt mig att jag skulle vara med i ett av teamen och hjälpa till att utforska det."