Helt plötsligt, en liten NASA-finansierad satellit, en av många passagerare ombord på rymdfarkosten SpaceX Dragon, sköts upp i himlen på ett uppdrag för att bevisa att dess nya teknologi kan förändra sättet vi mäter jorden på, och slutligen, månen.

Den kompakta infraröda radiometern i rymden på en CubeSat, även känd som CIRiS, sköts upp från Cape Canaveral Air Force Station i Florida till den internationella rymdstationen den 5 december. Satelliten i ryggsäcksstorlek siktar på att samla in bearbeta och kalibrera infraröda bilder för att avslöja jordens temperatur för första gången från en liten satellit. "Om vi ​​kan göra det här, vi har avsevärt ökat värdet av data för geovetenskapliga tillämpningar, samt mark- och vattenförvaltning, "David Osterman, CIRiS huvudutredare på Ball Aerospace, sa.

Jordbrukare kan använda CIRis data när de avgör om en lund med apelsinträd behöver mer vatten eller om en vingård är för blöt. Faktiskt, bönder, vattenförvaltare och andra beslutsfattare börjar använda fjärravlästa uppskattningar av vattenförbrukningen från större sensorer som den termiska infraröda sensorn (TIRS) ombord på Landsat 8, som drivs gemensamt av U.S. Geological Survey och NASA.

CIRiS syftar till att demonstrera nya möjligheter för att komplettera framtida NASA jordobservationsuppdrag som Landsat, öka frekvensen av bildinsamling till en potentiellt reducerad storlek och kostnad. "Vi vill uppnå hög prestanda i allt samtidigt som vi passar in i ett litet utrymme, sa Osterman.

Redan innan CIRiS lämnade jorden, NASA finansierade sitt syskon, L-CIriS, som har ett "L" för lunar, att gå till månen och använda liknande instrument för att identifiera månens mineraler. L-CIRiS kommer också att byggas av Ball Aerospace och valdes ut som en del av NASA:s månprogram Artemis, som kommer att hjälpa NASA att skicka astronauter till månen 2024 som ett sätt att förbereda sig på att skicka de första människorna till Mars.

Den jordobserverande CIRiS befinner sig för närvarande på rymdstationen. Det kommer att stanna där i några veckor tills det överförs till Cygnus lastfordon, som kommer att ta den 100 kilometer högre än rymdstationen för utplacering.

Liten satellit, big data

Små satelliter, inklusive CubeSats, spelar en växande roll i prospektering, teknik demonstration, vetenskaplig forskning och utbildningsundersökningar vid NASA. Uppdrag hittills har inkluderat planetarisk rymdutforskning, Jordobservationer, och grundläggande jord- och rymdvetenskap. CubeSats används också för att utveckla prekursorrymdteknologier som banbrytande laserkommunikation, satellit-till-satellit-kommunikation och autonoma rörelseförmåga.

CIRiS CubeSat, som kan fjärrmäta jordens yttemperatur, miniatyriserar ett antal komponenter och eliminerar andra som konventionella instrument använder för att samla in långvågsbilder (infrarött spektrum). Dessa bilder indikerar varma och kalla regioner som färger på en "värmekarta".

När CIRiS samlar in dessa bilder, den kalibrerar dem när de är i omloppsbana, vilket innebär att den tilldelar validerade numeriska värden till varje pixel. "Kalibrering låter dig ta data och flytta dem ett steg längre till där de har vetenskaplig betydelse och kan bidra till verklig vetenskap, " sa Osterman. Inte bara kan du se om en sträcka av land är varmare än dess omgivning, du kan se efter hur mycket.

Till exempel, infraröda mätningar kan hjälpa forskare att bättre förstå evapotranspiration, vilket är vattnet som avdunstar från jorden plus vattnet som frigörs från växtbladen när de tränger ut, eller andas. Evapotranspiration hjälper till att kyla växterna, så temperaturen är en nyckelindikator på växternas vattenanvändning. Att känna till den kvantitativa nivån av evapotranspiration är användbart för odlare eftersom de avgör vilka växter som behöver mer vatten.

Målet med CIRiS-uppdraget är att validera och demonstrera ny teknik. Om det lyckas, ett potentiellt nästa steg skulle vara ett uppdrag som lägger till möjligheten att samla in bilder i den synliga delen av spektrumet för att bestämma växternas färger och bladarea. Synligt ljus kan avslöja hur mycket sol växter får och hur friska de är.

Tillämpa data

Att samla bilder i både synliga och infraröda band kommer att hjälpa vinodlingsindustrin, till exempel. Druvor som används för vin behöver särskilda förhållanden för att blomstra. "Odlare vill vanligtvis kunna belasta vinrankorna under vissa utvecklingsstadier för att kontrollera vegetationstillväxten, som avgör hur mycket socker som utvecklas i druvorna, bland andra egenskaper, "Bill Kustas, en vetenskapsman vid USDA:s Agricultural Research Service i Beltsville, Maryland, sa.

Bill Kustas och kollegan Martha Anderson leder ett NASA-finansierat projekt som heter GRAPEX, i samarbete med vingården E&J Gallo, syftar till att integrera termisk fjärranalysinformation i beslutsfattande verktyg för bevattning för vingårdar. "Det är en enorm utmaning att bevattna vindruvor för att nå de mål som odlarna vill uppnå, " sa Anderson.

I en bredare skala, odlare av grödor i hela Kalifornien måste kunna rapportera sin vattenanvändning för att följa delstaten Kaliforniens lag om hållbar grundvattenhantering (SGMA), som syftar till att hjälpa staten att mer effektivt använda och bevara grundvattenreservoarer som förser den med sötvatten. "Odlare ser fjärravkänd evapotranspirationsinformation som värdefull för att överensstämma med SGMA eftersom de kan använda fjärranalys för att uppskatta hur mycket vatten de använder istället för att försöka gräva fram denna information ur sina bevattningsregister, " sa Anderson.

Testar tekniken

CIRiS samlar in infraröd energi och använder ett "fokalplan" för att omvandla den energin till en elektrisk signal, liknande hur en digitalkamera omvandlar energi från synligt ljus till en elektrisk signal. Många fokalplan för infraröd detektering kräver drift vid kryogena temperaturer, och måste därför inkludera en kryokylare för att fastställa dessa temperaturer, sa Osterman. Teamet bestämde sig för att använda en annan typ av fokalplan som fungerar utan kryokylning för att minska sensorns storlek.

Även om CIRiS:s fokalplan inte har samma känslighetsnivå som ett större fokalplan med en kryokylare, det hoppas kunna kompensera för eventuella brister med robusta förmågor att bearbeta data. "Vi försöker ersätta mjukvarans prestanda med hårdvarans prestanda, " sa Osterman. Mjukvaruaspekten, eller databehandling, initieras på rymdfarkosten och fortsätter sedan efter att data har nedlänkats till marken.

Data som samlats in av CIRiS kan jämföras med bilder från andra NASA termiska sensorer som för närvarande befinner sig i rymden, såsom ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer Experiment on Space Station (ECOSTRESS). Kollektivt, NASA forskningsinstrument som CIRiS och ECOSTRESS hjälper till att identifiera optimala sensoregenskaper som kan överföras till långsiktiga övervakningsprogram, sa Anderson.

Om CubeSat lyckas bevisa att den kan fungera i rymden, Osterman hoppas få se en liten konstellation av CIRiS-liknande instrument som kretsar runt jorden. Flera CubeSats i omloppsbana skulle tillåta oss att mäta förändringar i evapotranspiration och andra fenomen potentiellt så ofta som varje dag.

"Det har varit riktigt spännande att se hur små instrument och rymdfarkoster kan bidra till vår förståelse av jorden och så småningom månen, sa Osterman.