En ny infraröd kamera med högre upplösning utrustad med en mängd olika lättviktsfilter kan undersöka solljus som reflekteras från jordens övre atmosfär och yta, förbättra varningar för skogsbränder och avslöja andra planeters molekylära sammansättning.
Kamerorna använder känsliga, högupplösta supergittersensorer med ansträngda lager, som ursprungligen utvecklades vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.
Deras kompakta konstruktion, låga massa och anpassningsförmåga gör det möjligt för ingenjörer som Tilak Hewagama att anpassa dem till behoven inom en mängd olika vetenskaper.
"Att fästa filter direkt på detektorn eliminerar den betydande massan av traditionella lins- och filtersystem," sa Hewagama. "Detta möjliggör ett lågmassainstrument med ett kompakt fokalplan som nu kan kylas för infraröd detektering med hjälp av mindre, mer effektiva kylare. Mindre satelliter och uppdrag kan dra nytta av deras upplösning och noggrannhet."
Ingenjören Murzy Jhabvala ledde den inledande sensorutvecklingen vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, samt ledde dagens filterintegreringsinsatser.
Jhabvala ledde också Compact Thermal Imager-experimentet på den internationella rymdstationen som visade hur den nya sensorteknologin kunde överleva i rymden samtidigt som den visade sig vara en stor framgång för jordvetenskapen. Mer än 15 miljoner bilder tagna i två infraröda band gav uppfinnarna, Jhabvala, och NASA Goddard-kollegorna Don Jennings och Compton Tucker en utmärkelse för Årets uppfinning för byrån för 2021.
Data från testet gav detaljerad information om skogsbränder, bättre förståelse av den vertikala strukturen av jordens moln och atmosfär, och fångade en uppströmning orsakad av vind som lyfte från jordens landegenskaper som kallas gravitationsvåg.
De banbrytande infraröda sensorerna använder lager av upprepade molekylära strukturer för att interagera med individuella fotoner, eller ljusenheter. Sensorerna löser fler våglängder av infrarött med en högre upplösning:260 fot (80 meter) per pixel från omloppsbana jämfört med 1 000 till 3 000 fot (375 till 1 000 meter) som är möjligt med nuvarande värmekameror.
Framgången med dessa värmemätande kameror har lockat investeringar från NASA:s Earth Science Technology Office (ESTO), Small Business Innovation and Research och andra program för att ytterligare anpassa deras räckvidd och tillämpningar.
Jhabvala och NASA:s Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS) team utvecklar en sexbandsversion för årets LiDAR, Hyperspectral &Thermal Imager (G-LiHT) luftburna projekt. Denna första kamera i sitt slag kommer att mäta ytvärme och möjliggöra föroreningsövervakning och brandobservationer vid höga bildhastigheter, sade han.
NASA Goddard Earth-forskaren Doug Morton leder ett ESTO-projekt som utvecklar en Compact Fire Imager för att upptäcka och förutsäga skogsbränder.
"Vi kommer inte att se färre bränder, så vi försöker förstå hur bränder frigör energi över sin livscykel," sa Morton. "Detta kommer att hjälpa oss att bättre förstå brändernas nya natur i en allt mer brandfarlig värld."
CFI kommer att övervaka både de hetaste bränderna som släpper ut mer växthusgaser och kallare, pyrande kol och aska som producerar mer kolmonoxid och luftburna partiklar som rök och aska.
"Detta är nyckelingredienser när det kommer till säkerhet och förståelse av de växthusgaser som frigörs vid förbränning," sa Morton.
Efter att ha testat brandkameran på luftburna kampanjer, tänker Mortons team utrusta en flotta med 10 små satelliter för att ge global information om bränder med fler bilder per dag.
I kombination med nästa generations datormodeller, sade han, "kan den här informationen hjälpa skogstjänsten och andra brandbekämpningsorgan att förhindra bränder, förbättra säkerheten för brandmän i frontlinjen och skydda livet och egendomen för dem som lever i brändernas väg."
Utrustad med polarisationsfilter kan sensorn mäta hur ispartiklar i jordens övre atmosfärsmoln sprider och polariserar ljus, sa NASAs Goddard Earth-forskare Dong Wu.
Dessa applikationer skulle komplettera NASA:s PACE—Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem—uppdrag, sa Wu, som avslöjade sina första ljusbilder tidigare denna månad. Båda mäter polariseringen av ljusvågens orientering i förhållande till färdriktningen från olika delar av det infraröda spektrumet.
"PACE-polarimetrarna övervakar synligt och kortvågigt infrarött ljus", förklarade han. "Uppdraget kommer att fokusera på aerosol- och havsfärgsvetenskap från dagtidsobservationer. Vid medel- och långa infraröda våglängder skulle den nya infraröda polarimetern fånga moln- och ytegenskaper från både dag- och nattobservationer."
I ett annat försök arbetar Hewagama med Jhabvala och Jennings för att införliva linjära variabla filter som ger ännu större detaljer inom det infraröda spektrumet. Filtren avslöjar atmosfäriska molekylers rotation och vibrationer samt jordens ytsammansättning.
Den tekniken kan också gynna uppdrag till steniga planeter, kometer och asteroider, sa planetforskaren Carrie Anderson. Hon sa att de kunde identifiera is och flyktiga föreningar som släpps ut i enorma plymer från Saturnus måne Enceladus.
"De är i huvudsak gejsrar av is", sa hon, "som naturligtvis är kalla, men avger ljus inom den nya infraröda sensorns detektionsgränser. Att titta på plymer mot solens bakgrund skulle tillåta oss att identifiera deras sammansättning och vertikala fördelning mycket tydligt."
Tillhandahålls av NASA
