Het vinden van water op de maan zou gemakkelijker kunnen zijn met een Goddard-technologie die een effect gebruikt dat kwantumtunneling wordt genoemd om een ​​krachtige terahertz-laser te genereren, waarmee een leemte in de bestaande lasertechnologie wordt opgevuld.

Het lokaliseren van water en andere hulpbronnen is een NASA-prioriteit die cruciaal is voor het verkennen van de natuurlijke satelliet van de aarde en andere objecten in het zonnestelsel en daarbuiten. Eerdere experimenten concludeerden en bevestigden vervolgens het bestaan ​​van kleine hoeveelheden water op de maan. De meeste technologieën maken echter geen onderscheid tussen water, vrije waterstofionen en hydroxyl, aangezien de gebruikte breedbanddetectoren geen onderscheid kunnen maken tussen de verschillende vluchtige stoffen.

Goddard-ingenieur Dr. Berhanu Bulcha zei dat een type instrument dat een heterodyne spectrometer wordt genoemd, kan inzoomen op bepaalde frequenties om waterbronnen op de maan definitief te identificeren en te lokaliseren. Het zou een stabiele, krachtige terahertz-laser nodig hebben, die werd geprototypeerd in samenwerking met Longwave Photonics via het Small Business Innovation Research (SBIR) -programma van NASA.

"Met deze laser kunnen we een nieuw venster openen om dit frequentiespectrum te bestuderen", zei hij. "Andere missies vonden hydratatie op de maan, maar dat kan duiden op hydroxyl of water. Als het water is, waar komt het dan vandaan? Komt het van nature voor bij de vorming van de maan, of is het later aangekomen door komeetinslagen? Hoeveel water is We moeten deze vragen beantwoorden omdat water van cruciaal belang is om te overleven en kan worden gebruikt om brandstof te maken voor verdere verkenning."

Zoals de naam al aangeeft, detecteren spectrometers spectra of golflengten van licht om de chemische eigenschappen van materie die licht heeft aangeraakt te onthullen. De meeste spectrometers hebben de neiging om over brede delen van het spectrum te werken. Heterodyne instrumenten schakelen in op zeer specifieke lichtfrequenties zoals infrarood of terahertz. Waterstofbevattende verbindingen zoals water zenden fotonen uit in het terahertz-frequentiebereik - 2 biljoen tot 10 biljoen cycli per seconde - tussen microgolf en infrarood.

Als een microscoop voor subtiele verschillen binnen een bandbreedte als terahertz, combineren heterodyne spectrometers een lokale laserbron met invallend licht. Het meten van het verschil tussen de laserbron en de gecombineerde golflengte levert nauwkeurige metingen op tussen sub-bandbreedten van het spectrum.

Traditionele lasers genereren licht door een elektron in de buitenste schil van een atoom te exciteren, dat vervolgens een enkel foton uitzendt terwijl het overgaat of terugkeert naar zijn energieniveau in rust. Verschillende atomen produceren verschillende frequenties van licht op basis van de vaste hoeveelheid energie die nodig is om één elektron te exciteren. Lasers schieten echter tekort in een bepaald deel van het spectrum tussen infrarood en microgolf dat bekend staat als de terahertz-gap.

"Het probleem met bestaande lasertechnologie," zei Dr. Bulcha, "is dat geen enkel materiaal de juiste eigenschappen heeft om een ​​terahertz-golf te produceren."

Elektromagnetische oscillatoren zoals die welke radio- of microgolffrequenties genereren, produceren terahertz-pulsen met een laag vermogen door een reeks versterkers en frequentievermenigvuldigers te gebruiken om het signaal uit te breiden tot in het terahertz-bereik. Dit proces verbruikt echter veel spanning en de materialen die worden gebruikt om de puls te versterken en te vermenigvuldigen, hebben een beperkte efficiëntie. Dit betekent dat ze kracht verliezen als ze de terahertz-frequenties naderen.

Vanaf de andere kant van de terahertz-spleet pompen optische lasers energie in een gas om fotonen te genereren. Krachtige terahertz-bandlasers zijn echter groot, energieverslindend en niet geschikt voor ruimteverkenningsdoeleinden waar massa en vermogen beperkt zijn, met name draagbare of kleine satelliettoepassingen. De kracht van de puls neemt ook af als optische lasers naar de terahertz-bandbreedtes duwen.

Om die leemte op te vullen, ontwikkelt het team van Dr. Bulcha kwantumcascadelasers die fotonen produceren van elke elektronentransitiegebeurtenis door gebruik te maken van een aantal unieke, kwantumschaalfysica van materialen die slechts een paar atomen dik zijn.

In deze materialen zendt een laser fotonen uit in een specifieke frequentie die wordt bepaald door de dikte van afwisselende lagen van halfgeleiders in plaats van door de elementen in het materiaal. In de kwantumfysica vergroten de dunne lagen de kans dat een foton vervolgens door kan tunnelen naar de volgende laag in plaats van tegen de barrière te stuiteren. Eenmaal daar, wekt het extra fotonen op. Met behulp van een generatormateriaal met 80 tot 100 lagen, in totaal minder dan 10 tot 15 micron dik, creëert de bron van het team een ​​cascade van terahertz-energiefotonen.

Deze cascade verbruikt minder spanning om een ​​stabiel, krachtig licht te genereren. Een nadeel van deze technologie is dat de straal zich in een grote hoek uitspreidt en snel over korte afstanden verdwijnt. Met behulp van innovatieve technologie ondersteund door Goddard's Internal Research and Development (IRAD) financiering, integreerden Dr. Bulcha en zijn team de laser op een golfgeleider met een dunne optische antenne om de straal te verstevigen. De geïntegreerde laser- en golfgeleidereenheid vermindert deze dissipatie met 50% in een verpakking kleiner dan een kwart.

Hij hoopt door te gaan met het werk om een ​​vluchtklare laser te maken voor NASA's Artemis-programma.

Door de geringe afmetingen en het stroomverbruik van de laser past hij in een 1U CubeSat, ongeveer zo groot als een theepot, samen met de spectrometer-hardware, processor en voeding. Het kan ook een handheld-apparaat van stroom voorzien voor gebruik door toekomstige ontdekkingsreizigers op de maan, Mars en daarbuiten. + Verder verkennen

Bouwen aan een mooie toekomst voor lasers