Een NASA-technoloog heeft samengewerkt met de uitvinder van een nieuwe nanotechnologie die de manier kan veranderen waarop ruimtewetenschappers spectrometers bouwen, het allerbelangrijkste apparaat dat door vrijwel alle wetenschappelijke disciplines wordt gebruikt om de eigenschappen te meten van licht afkomstig van astronomische objecten, inclusief de aarde zelf.

Mahmooda Sultana, een onderzoeksingenieur bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, werkt nu samen met Moungi Bawendi, een professor scheikunde aan het Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, of MIT, om een ​​prototype beeldspectrometer te ontwikkelen op basis van de opkomende quantum-dot-technologie die Bawendi's groep pionierde.

NASA's Center Innovation Fund, die potentieel baanbrekende, technologieën met een hoog risico, financiert de inspanning.

Introductie van Quantum Dots

Quantum dots zijn een type halfgeleider nanokristal dat begin jaren tachtig werd ontdekt. Onzichtbaar voor het blote oog, de stippen hebben tijdens het testen bewezen dat ze verschillende golflengten van licht absorberen, afhankelijk van hun grootte, vorm, en chemische samenstelling. De technologie is veelbelovend voor toepassingen die afhankelijk zijn van de analyse van licht, inclusief smartphonecamera's, medische apparatuur, en omgevingstestapparatuur.

"Dit is zo nieuw als het maar kan, "Sultana zei, verwijzend naar de technologie die volgens haar zou kunnen miniaturiseren en mogelijk een revolutie teweegbrengen in op de ruimte gebaseerde spectrometers, met name die welke worden gebruikt op onbewoonde luchtvaartuigen en kleine satellieten. "Het zou de instrumentintegratie echt kunnen vereenvoudigen."

Absorptiespectrometers, zoals hun naam al aangeeft, meet de absorptie van licht als een functie van frequentie of golflengte vanwege de interactie met een monster, zoals atmosferische gassen.

Na het passeren van of interactie met het monster, het licht bereikt de spectrometer. Traditionele spectrometers gebruiken roosters, prisma's, of interferentiefilters om het licht te splitsen in zijn samenstellende golflengten, die hun detectorpixels vervolgens detecteren om spectra te produceren. Hoe intenser de absorptie in de spectra, hoe groter de aanwezigheid van een specifieke chemische stof.

Terwijl spectrometers in de ruimte kleiner worden door miniaturisatie, ze zijn nog relatief groot, zei Sultana. "Hogere spectrale resolutie vereist lange optische paden voor instrumenten die roosters en prisma's gebruiken. Dit resulteert vaak in grote instrumenten. Terwijl hier, met kwantumstippen die werken als filters die verschillende golflengten absorberen, afhankelijk van hun grootte en vorm, we kunnen een ultracompact instrument maken. Met andere woorden, je zou optische onderdelen kunnen elimineren, zoals roosters, prisma's, en interferentiefilters."

Net zo belangrijk, de technologie stelt de instrumentontwikkelaar in staat om bijna een onbeperkt aantal verschillende punten te genereren. Naarmate hun omvang afneemt, de golflengte van het licht dat de quantum dots zullen absorberen neemt af. "Dit maakt het mogelijk om een ​​continu afstembare, maar toch onderscheiden, set van absorberende filters waarbij elke pixel is gemaakt van een kwantumpunt van een specifieke grootte, vorm, of compositie. We zouden nauwkeurige controle hebben over wat elke stip absorbeert. We zouden het instrument letterlijk kunnen aanpassen om veel verschillende banden met een hoge spectrale resolutie te observeren."

Prototype-instrument in ontwikkeling

Met haar ondersteuning bij de ontwikkeling van NASA-technologie, Sultana werkt aan de ontwikkeling, kwalificeren door middel van thermische vacuüm- en trillingstests, en demonstreren een 20-bij-20 quantum-dot array die gevoelig is voor zichtbare golflengten die nodig zijn om de zon en de aurora in beeld te brengen. Echter, de technologie kan eenvoudig worden uitgebreid om een ​​breder scala aan golflengten te bestrijken, van ultraviolet tot midden-infrarood, die veel potentiële ruimtetoepassingen kunnen vinden in de aardwetenschappen, heliofysica, en planetaire wetenschap, ze zei.

Onder de samenwerking, Sultana ontwikkelt een instrumentconcept speciaal voor een CubeSat-toepassing en MIT-promovendus Jason Yoo onderzoekt technieken om verschillende precursorchemicaliën te synthetiseren om de stippen te maken en deze vervolgens op een geschikt substraat te printen. "Uiteindelijk, we zouden de stippen rechtstreeks op de detectorpixels willen afdrukken, " ze zei.

"Dit is een zeer innovatieve technologie, " voegde Sultana toe, toegegeven dat het zeer vroeg in zijn ontwikkeling is. "Maar we proberen het niveau van technologiegereedheid zeer snel te verhogen. Er zijn verschillende mogelijkheden op het gebied van ruimtewetenschap die hiervan kunnen profiteren."