NASA-ingenieurs zullen deze zomer een reeks nieuwe lasertechnologieën vanuit een vliegtuig testen voor aardwetenschappelijke teledetectie. De instrumenten, die 'lidar' worden genoemd, kunnen ook worden gebruikt om modellen van de vorm van de maan te verbeteren en de zoektocht naar Artemis-landingsplaatsen te vergemakkelijken.

Net als bij sonar, maar met behulp van licht in plaats van geluid, berekenen lidars afstanden door te timen hoe lang het duurt voordat een laserstraal weerkaatst op een oppervlak en terugkeert naar een instrument. Meerdere pings van de laser kunnen de relatieve snelheid en zelfs een 3D-beeld van een doel opleveren. Ze helpen NASA-wetenschappers en ontdekkingsreizigers steeds vaker bij het navigeren, in kaart brengen en verzamelen van wetenschappelijke gegevens.

Ingenieurs en wetenschappers van NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, blijven lidars verfijnen tot kleinere, lichtere en veelzijdigere hulpmiddelen voor wetenschap en onderzoek, met hulp van hardware die wordt geleverd door kleine bedrijven en academische partners.

"Bestaande lidars met 3D-beeldvorming hebben moeite om de 2-inch resolutie te bieden die nodig is voor begeleidings-, navigatie- en controletechnologieën om nauwkeurige en veilige landingen te garanderen die essentieel zijn voor toekomstige robot- en menselijke verkenningsmissies", zei teamingenieur Jeffrey Chen. "Een dergelijk systeem vereist 3D-gevarendetectie-lidar en een navigatie-doppler-lidar, en geen enkel bestaand systeem kan beide functies vervullen."

Maak kennis met CASALS, het gelijktijdige kunstmatig intelligente spectrometrie- en adaptieve lidarsysteem. CASALS is ontwikkeld via Goddard's IRAD, het interne onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma, en laat een afstembare laser door een prisma-achtig rooster schijnen om de straal te verspreiden op basis van de veranderende golflengten. Traditionele lidars pulseren een laser met een vaste golflengte die door omvangrijke spiegels en lenzen in meerdere bundels wordt gesplitst om deze in meerdere bundels te splitsen. Eén CASALS-instrument zou bij elke passage een groter deel van het oppervlak van een planeet kunnen bestrijken dan lidars die tientallen jaren lang zijn gebruikt om de aarde, de maan en Mars te meten.

Het kleinere formaat, gewicht en de lagere stroomvereisten van CASALS maken kleine satelliettoepassingen mogelijk, evenals draagbare of draagbare lidars voor gebruik op het maanoppervlak, aldus Goddard-ingenieur en CASALS-ontwikkelingsleider Guangning Yang.

Het CASALS-team ontving financiering van NASA's Earth Science Technology Office om hun verbeteringen in 2024 per vliegtuig te testen, waardoor hun systeem dichter bij ruimtevluchtgereedheid kwam.

Welke kleur heeft je lidar?

Naarmate lidars meer gespecialiseerd worden, kan CASALS verschillende golflengten of kleuren laserlicht integreren voor toepassingen zoals aardwetenschappen, het verkennen van andere planeten en objecten in de ruimte, en navigatie- en rendez-vousoperaties.

Het CASALS-team gebruikte financiering van Goddard IRAD en NASA SBIR (Small Business Innovation Research Program), samen met commerciële partners Axsun Technologies en Freedom Photonics, om nieuwe, snel afstemmende lasers te ontwikkelen in het 1 micron-gedeelte van het infraroodspectrum voor aardwetenschappen en planetaire verkenning. Ter vergelijking:algemeen verkrijgbare lidars die worden gebruikt voor de ontwikkeling van zelfrijdende voertuigen gebruiken doorgaans lasers van 1,5 micron voor berekeningen van bereik en snelheid.

Op aarde gaan golflengten van bijna 1 micron gemakkelijk door de atmosfeer en zijn ze goed in het onderscheiden van vegetatie van kale grond, zegt Ian Adams, Goddards hoofdtechnoloog voor aardwetenschappen. Golflengten in de buurt van 0,97 en 1,45 micron bieden waardevolle informatie over waterdamp in de atmosfeer van de aarde, maar reizen niet zo efficiënt naar het oppervlak.

In een gerelateerd project werkte het team samen met Left Hand Design Corporation om een ​​stuurspiegel te ontwikkelen om de 3D-beelddekking van CASALS uit te breiden en de resolutie te verbeteren. Hij zei dat de hogere hartslag van de lidar de signaalgevoeligheid kan vergroten, zodat afstands- en snelheidsmetingen tot wel 100 km mogelijk zijn.

Artemis-gerelateerde missies die willen landen nabij de zuidpool van de maan zouden ook de scherpere beeldvorming van CASALS kunnen gebruiken om de veiligheid van potentiële landingsplaatsen te helpen beoordelen.

De maan in beeld brengen

Meer gedetailleerde 3D-modellen van de maan waren de drijvende kracht achter de IRAD-inspanningen van Goddard-planeetwetenschapper Erwan Mazarico om het vermogen van CASALS om oppervlaktedetails kleiner dan 1 meter te meten te verfijnen. Hij zei dat dit zal helpen de ondergrondse structuren en veranderingen van de maan in de loop van de tijd te begrijpen.

Elke maand beweegt het pad van de aarde langs de maanhemel binnen 10 of 20 graden van het midden van de zijde die naar de aarde is gericht.

"We hebben op basis van ons begrip van de innerlijke structuur voorspeld dat de veranderende aantrekkingskracht van de aarde de getijdenuitstulping of de vorm van de maan zou kunnen veranderen," zei Mazarico. "Metingen met hoge resolutie van die vervorming zouden ons meer kunnen vertellen over mogelijke variaties binnen de maan. Reageert deze als een volledig uniform lichaam in het binnenste?"

NASA's Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) meet sinds 2009 de natuurlijke satelliet van de aarde, modelleert het terrein van de maan en levert een schat aan ontdekkingen op met behulp van LOLA, de Lunar Orbiting Lidar Altimeter. LOLA vuurt 28 laserpulsen per seconde af, opgesplitst in vijf stralen die het oppervlak op een afstand van 20 tot 30 meter raken. Wetenschappers gebruiken LRO-beelden om kleinere oppervlaktekenmerken tussen lasermetingen in te schatten.

De laser van CASALS maakt echter het equivalent van enkele honderdduizenden pulsen per seconde mogelijk, waardoor de afstand tussen oppervlaktemetingen wordt verkleind.

"Een dichtere en nauwkeurigere dataset zou ons in staat stellen veel kleinere kenmerken te bestuderen", zei Mazarico, inclusief die van inslagen, vulkanische activiteit en tektoniek. "We hebben het over ordes van grootte meer metingen. Dat zou een behoorlijk grote gamechanger kunnen zijn als het gaat om het soort gegevens dat we van lidar krijgen."

Geleverd door NASA