science >> Wetenschap >  >> Astronomie

NASA maakt gebruik van beproefde technologieën om de eerste planetaire windlidar van bureaus te bouwen

Het MARLI instrument breadboard is ingekapseld in de doorzichtige behuizing op de achtergrond. Het cilindrische object op de voorgrond met de zilverachtige buitenschil is het optische etalon dat in de lidar-ontvanger wordt gebruikt. Krediet:NASA/W. Hrybyk

NASA-wetenschappers hebben een manier gevonden om een ​​handvol recent ontwikkelde technologieën aan te passen om een ​​nieuw instrument te bouwen dat hen zou kunnen geven wat ze nog moeten krijgen:nooit eerder onthulde details over de wind op Mars en uiteindelijk Titan, De grootste maan van Saturnus.

We zijn trots op het gebruik van nieuwe technologie, " zei Mike Smit, een planetaire wetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Smith werkt samen met Goddard remote-sensing wetenschapper Jim Abshire om een ​​experimenteel of demonstratie-testmodel van MARLI te maken, afkorting voor de MAR's LIdar voor wereldwijde klimaatmetingen vanuit een baan om de aarde. "Waarom helemaal opnieuw beginnen als je recente technologieën kunt aanpassen?" zei Smit.

NASA's eerste planetaire Lidar

De experimentele MARLI, waarvan het team denkt dat ze volwassen genoeg zullen zijn om over een paar jaar voor te stellen voor een toekomstige orbitermissie, zou NASA's eerste planetaire windlidar kunnen worden. Zijn belangrijkste taak zou zijn om de verticale distributie van atmosferische aerosolen te profileren, inclusief stof- en ijsdeeltjes, en direct windsnelheden meten om te bepalen hoe deze omstandigheden in de loop van de tijd veranderen, plaats, en seizoen.

Deze informatie is essentieel om alles te begrijpen, van het transport van potentiële biomarkers, zoals methaan, om input te leveren voor globale circulatiemodellen van de atmosfeer die, onder andere, helpen bij het bepalen van veilige en nauwkeurige landingslocaties voor ruimtevaartuigen.

Hoewel het team MARLI heeft bedacht als een potentieel instrument van de volgende generatie voor het onderzoeken van de dunne atmosfeer van Mars en het concept heeft ontwikkeld via NASA's Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations, of PICASSO, programma, een aangepaste versie kan ook worden gebruikt om Titan te onderzoeken, zei Abshire. Hij en zijn team hebben onlangs aanvullende onderzoeks- en ontwikkelingsfinanciering gewonnen van NASA's Maturation of Instruments for Solar System Exploration, of MatISSE-programma, om MARLI verder vooruit te helpen en de nodige aanpassingen aan te brengen om Titan-onderzoeken mogelijk te maken.

"Na meer dan 20 jaar lancering van orbiters en rovers, we hebben veel geleerd over de omgevingsomstandigheden op Mars, inclusief temperaturen en atmosferische gassen, " ging Smith verder. Hij voegde eraan toe:echter, dat wetenschappers zeer weinig directe metingen van de wind hebben verkregen, die Mars-rovers hebben geklokt met 45 mijl per uur of sneller. En hoewel Mars een atmosfeer met een lage dichtheid heeft, de winden zijn vaak sterk genoeg om de planeet volledig in stof te hullen. "Als we een lijst zouden schrijven van de dingen die we niet weten, wind zou bovenaan de lijst staan."

Als wetenschappers weinig weten over Marswinden, ze weten nog minder over atmosferische aerosolen en dynamiek op Titan, die de enige maan is met een dichte atmosfeer en het enige object - afgezien van de aarde - met stabiele vloeistoflichamen op het oppervlak, voegde Abshire toe.

Enkele componenten van het MARLI-instrument worden hier getoond met het team dat het instrument heeft ontwikkeld. Voorste rij (van links naar rechts):Daniel Cremons en Graham Allan; (achterste rij, van links naar rechts):Mike Smith, Jim Abshire, Haris Riris, en Xiaoli Sun. Krediet:NASA/W. Hrybyk

De oplossing

MARLI zou een oplossing kunnen bieden, zijn ontwikkelaars geloven. Vanuit zijn baan rond Mars of Titan, de straal zou ongeveer 30 graden van het dieptepunt zijn gericht (direct onder het ruimtevaartuig). In die oriëntatie, het instrument zou werken als Doppler-radar, een soort gespecialiseerde radar die snelheid meet. Het doet dit door een microgolfsignaal van een gewenst doel te kaatsen en te analyseren hoe de beweging van het object de frequentie van het geretourneerde signaal verandert. Echter, in plaats van radio of magnetron, MARLI zou continu infrarood licht naar het oppervlak pulseren met zijn ingebouwde laser.

Door de aanwezigheid van stof- en ijsdeeltjes in de atmosfeer, wat licht zou verstrooien voordat het het oppervlak zou kunnen bereiken en een deel van dat licht zou zijn weg terug vinden naar MARLI's telescoop aan boord, die de terugkerende terugverstrooiingssignalen zou verzamelen en naar de detectoren van het instrument zou leiden. De resulterende gegevens zouden niet alleen onthullen hoe snel de wind waait, maar ook de verdeling van stof en ijs in dat deel van de atmosfeer. Dergelijke metingen over de hele wereld zouden wetenschappers een driedimensionaal beeld geven van de stof- en windstructuur op Mars en hoe deze met de tijd verandert, plaats, en seizoen.

"Onze aanpak heeft een grote kans van slagen. Het maakt gebruik van belangrijke laser- en ontvangertechnologieën van eerdere lidar-missies in de ruimte, en andere ontwikkelingen, " waaronder enkele die de oppervlaktekenmerken of topografieën van Mars in kaart hebben gebracht, Kwik, en de maan, zei Abshire. "Het moeilijkste is om een ​​ritje naar Mars te maken, ’ voegde Smit toe.

De aanpassing van technologieën en meetbenaderingen

MARLI's laser, te bouwen door de Herndon, Het in Virginia gevestigde Fibertek, Inc., is een aanpassing van het apparaat dat het bedrijf ontwikkelde voor het door Goddard ontwikkelde Cloud Aerosol Transport System, of KATTEN. Hoewel oorspronkelijk bedoeld als een op vliegtuigen gebaseerd instrument, CATS-ontwikkelaars hebben het instrument aangepast en in 2015 naar het internationale ruimtestation ISS gelanceerd, waar het nauwkeurigere globale profielen van de wolken van de aarde en atmosferische aerosolen verzamelde. Na 33 maanden in een baan om de aarde, het instrument eindigde zijn activiteiten eind 2017.

MARLI's telescoop, verder, is een aanpassing van degene die wordt gebruikt op de Mars Orbiter Laser Altimeter, een instrument dat op het Mars Global Surveyor-ruimtevaartuig vloog, en zijn windmeettechniek is vergelijkbaar met die gedemonstreerd door een instrument in de lucht genaamd het Tropospheric Wind Lidar Technology Experiment, ook bekend als TWiLiTE.

En zijn detectortechnologie, gemaakt door teamlid Xiaoli Sun en zijn industriepartner, de Dallas, Texas-gebaseerde DRS-technologieën, vertegenwoordigt een nieuwe technologie die is aangepast voor windmetingen. De detector is 's werelds eerste detector voor het tellen van fotonen die gevoelig is voor de midden-infrarode golflengteband - een spectrale sweet spot voor verschillende remote-sensing-toepassingen, inclusief de detectie van ijs.

In combinatie met een apparaat dat de terugkerende signalen omzet in werkelijke fotongetallen, de melder is uniek. Elke detector ter grootte van een sesamzaadje registreert elk geconverteerd foton in het terugkerende signaal, waardoor het een ongekende gevoeligheid krijgt. Naast de baseline voor MARLI, de detectortechnologie heeft huizen gevonden in twee laserinstrumenten in de lucht die Abshire en Haris Riris, een ander MARLI-teamlid, ontworpen om koolstofdioxide en methaan in de atmosfeer van de aarde te meten.

Door deze hefboomwerking "MARLI is uniek in staat om deze belangrijke wetenschappelijke vragen te beantwoorden met één enkel instrument, "Zei Abshire. "Dit zal ons in staat stellen om de dingen die in de atmosfeer gebeuren beter te begrijpen, inclusief het transport van stof en ijsdeeltjes - het ontstaan ​​van stofstormen. Direct, deze fundamentele vragen nog steeds."