science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Lasers om de oorsprong van het leven op een ijskoude maan te onderzoeken en de ruimte-tijdpuls van sterrenverpletterende botsingen op te nemen

Dit is de Dragonfly Mass Spectrometer (DraMS) Laser:THANOS (Throttled Hydrocarbon Analysis by Nanosecond Optical Source) technisch model. Deze laser is een in-house ontwerp van NASA Goddard Code 554 dat momenteel wordt gebouwd en getest in de optische laboratoriumruimte van SLAC. Krediet:NASA/Matt Mullin

Op Saturnus' gigantische maan Titan, vloeibaar methaan en andere koolwaterstoffen regenen neer, rivieren uitsnijden, meren en zeeën in een landschap van bevroren water. De complexe chemie op deze ijzige wereld zou analoog kunnen zijn aan de periode waarin het leven voor het eerst op aarde verscheen, of het zou een geheel nieuw soort leven kunnen opleveren. En zelfs verder - lichtjaren ver in de verre ruimte, een zwart gat verscheurt de ultradichte kern van een dode ster, het weefsel van de ruimte zelf kromtrekken en golven van ruimte-tijd door het universum laten vliegen.

In de Space Laser Assembly Cleanroom (SLAC) in het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland, de Laser and Electro-Optics Branch bouwt lasers voor NASA's Dragonfly-missie naar Titan en de Laser Interferometer Space Antenna (LISA) van de European Space Agency (ESA), die golven in ruimte-tijd zal meten die worden veroorzaakt door enorme botsingen.

Goddard's SLAC is een expertisecentrum voor de kunst en wetenschap van het bouwen van lasers voor geavanceerde instrumenten om exotische en extreme omgevingen te verkennen, zoals die onderzocht door Dragonfly en LISA.

Lasers zijn moeilijk - ze "willen" niet werken, zegt Barry Coyle, natuurkundige bij NASA Goddard.

"Alles moet perfect zijn, ' zei Coyle.

Daarom is het zo essentieel om ze op één plek te monteren voor efficiëntie, zowel qua productie als qua kosten. Dit is het idee achter de SLAC, en het werd bedacht kort na de lancering van ICESat-1. ICESat-1 huisvest het Geoscience Laser Altimeter System, die werd geproduceerd in een gezamenlijke faciliteit van de Universiteit van Maryland en Goddard. Hoewel de laser goed werkte, Coyle zei, het produceren van lasersystemen voor ruimtevluchten buiten de NASA zou duur en inefficiënt kunnen zijn.

Coyle zei dat hij en anderen zich realiseerden dat deze kosten zouden kunnen worden verlaagd als lasers in een intern laboratorium zouden worden geproduceerd. Aanvullend, tijd en energie kunnen worden bespaard.

Pamela Millar, hoofd van het Technologiebureau Aardwetenschappen, was destijds hoofd van de afdeling Remote Sensing en leidde de inspanningen om de financiering voor de SLAC veilig te stellen, zei Coyle. Sindsdien, het lab produceert lasers.

Momenteel, het Goddard-team ontwikkelt een ultraviolette (UV) laser in de SLAC - de Dragonfly Mass Spectrometer (DraMS) -laser - voor de Dragonfly-missie. De missie omvat een helikopterlander die is ontworpen voor meerdere stops over het oppervlak van Titan. de lander, wordt ontworpen en gebouwd in het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, zal een volledige reeks instrumenten bij zich hebben om materialen te bemonsteren en verdere kennis van de oppervlaktesamenstelling van de maan en andere eigenschappen te ontwikkelen.

Goddard-laseringenieur Matt Mullin werkt momenteel aan de DraMS-laser, waar zijn dagelijkse werkzaamheden bestaan ​​uit het bouwen of uitlijnen van hardware, de laser bouwen, of het uitvoeren van tests op subcomponenten.

"In principe, de UV-laserstraal wordt naar beneden gericht in een monsterbeker, die enkele oppervlaktematerialen van Titan bevat. De straal zal moleculaire verbindingen van het monster desorberen en ionen (atomen en moleculen met een netto elektrische lading) aanslaan om te worden opgenomen in de massaspectrometer die de wetenschappers kunnen gebruiken om te detecteren waaruit dat monster bestaat, " hij zei.

De laser is opwindend omdat hij op een New Frontiers-missie vliegt, zei Mullin. Het New Frontiers-programma is een NASA-initiatief dat tot doel heeft missies te financieren die delen van het zonnestelsel onderzoeken die in de planetaire wetenschap als hoge prioriteiten worden beschouwd.

Dit is de SLAC thermische vacuümkamer die wordt gebruikt om omgevingstests uit te voeren op lasersystemen van ruimtevluchtklasse. De ICESAT-2 en GEDI lidar-missie maakten gebruik van deze kamer voor kwalificatie- en risicoverminderingstests. Het vlieg- en engineeringmodel Dragonfly Mass Spectrometer (DraMS) Lasers, evenals het engineeringmodel LISA-laser zullen hier hierna worden getest. Krediet:NASA/Matt Mullin

"We hebben in het verleden een sonde naar Titan gestuurd, maar dit instrument en deze missie zijn voorbestemd om veel van de mysteries op te lossen die betrokken zijn bij deze echt interessante maan na eerdere verkenningen, "Zei Mullin. "En om te zien of deze maan potentieel enige vorm van leven zou kunnen herbergen, zou heel interessant zijn."

Echter, extreem koude temperaturen en methaan in de atmosfeer van Titan en op het oppervlak vormen obstakels.

"Hoe krijg je daar een laser en hoe krijg je hem daar werkend?" zei Coyle. "Dat zijn de twee uitdagingen."

Het is van cruciaal belang dat het instrument zo klein mogelijk is en dat het gewicht en het energieverbruik tot een minimum worden beperkt. Daarbovenop, lasers hebben de perfecte omstandigheden nodig om goed te kunnen werken.

"Je bent als het balanceren van een ei op zijn uiteinde, het wil altijd niet werken. Je gebruikt fotonen (lichtdeeltjes) om te doen wat je wilt - dat is heel moeilijk, ' zei Coyle.

Daarom helpt de SLAC. Zonder SLAC, het produceren van de laser zou veel verplaatsingen tussen gebouwen met zich meebrengen met afzonderlijke teams die eraan werken.

"Het helpt om een ​​centrale locatie te hebben waar we de optische verlijming kunnen doen, het reinigingssamenstel, alle infrastructuur hier - het is geweldig, ' zei Coyle.

Naast zijn werk aan Dragonfly, door NASA ontworpen lasers, bijdragen aan de door ESA geleide LISA-missie, zal worden gebouwd in het laboratorium. LISA wordt het eerste op de ruimte gebaseerde observatorium van ruimte-tijdgolven, zwaartekrachtsgolven genoemd. ESA probeert de zwaartekrachttheorie van Einstein te testen door zwaartekrachtsgolven in de ruimte te meten die worden gegenereerd door extreem gewelddadige gebeurtenissen zoals botsingen met zwarte gaten.

"De SLAC is voor ons een perfecte plek om de LISA-lasers te bouwen, "Antonio Yu, de productontwikkelingsleider voor de LISA-laser, zei. "De LISA-lasers hebben veel strenge eisen en we moeten in-situ teststations opzetten om de laserprestaties tijdens het bouwproces te verifiëren. De SLAC stelt ons in staat om gespecialiseerde teststations op te zetten om de laser realtime te testen en ook wanneer het ondergaat thermische vacuümcyclustests nadat het is geassembleerd."

Paul Styley, Goddard's associate branch hoofd van laser en elektro-optica, en productontwikkelingsleider voor de DraMS-laser, zei dat het hart en de ziel van SLAC ligt in de manier waarop het de technologische ontwikkeling en productie van lasers stroomlijnt.

"Wat de SLAC uniek maakt, is een centrale locatie om te ontwikkelen, bouwen en testen van lasersystemen voor ruimtevluchten, Stysley zei. "Er is een productstroom en infrastructuur om te ontwikkelen, het milieuvriendelijk testen en bewaken van een laserontwerp van de wieg tot het graf voor een ruimtevlucht, wat leidt tot een aanzienlijke vermindering van technische risico's en kosten."

Mullin zei dat het geweldig was om aan Dragonfly en met het team te werken.

"Het echte plezier en het opwindende deel is het werken met enkele van de beste ingenieurs en wetenschappers ter wereld aan dit project, "Zei Mullin. "Ik herinner me dat ik naar Discovery Channel keek over toekomstige verkenningen naar buitenmanen zoals Europa of Titan, maar ik had nooit echt gedacht dat ik in een van de teams zou zitten om het te verkennen."