Die kompakten Infrarotkameras der NASA ermöglichen neue wissenschaftliche Erkenntnisse

Eine neue, höher auflösende Infrarotkamera, ausgestattet mit verschiedenen leichten Filtern, könnte das von der oberen Erdatmosphäre und der Erdoberfläche reflektierte Sonnenlicht untersuchen, die Warnung vor Waldbränden verbessern und die molekulare Zusammensetzung anderer Planeten aufdecken.

Die Kameras verwenden empfindliche, hochauflösende Superlattice-Sensoren mit eingeschränkter Schicht, die ursprünglich im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, entwickelt wurden.

Ihre kompakte Bauweise, geringe Masse und Anpassungsfähigkeit ermöglichen es Ingenieuren wie Tilak Hewagama, sie an die Bedürfnisse verschiedener Wissenschaften anzupassen.

„Durch die direkte Anbringung von Filtern am Detektor entfällt die erhebliche Masse herkömmlicher Linsen- und Filtersysteme“, sagte Hewagama. „Dies ermöglicht ein Instrument mit geringer Masse und einer kompakten Brennebene, das jetzt für die Infrarotdetektion mit kleineren, effizienteren Kühlern gekühlt werden kann. Kleinere Satelliten und Missionen können von ihrer Auflösung und Präzision profitieren.“

Der Ingenieur Murzy Jhabvala leitete die erste Entwicklung des Sensors im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, sowie die aktuellen Bemühungen zur Filterintegration.

Jhabvala leitete auch das Compact Thermal Imager-Experiment auf der Internationalen Raumstation, das zeigte, wie neue Sensortechnologie im Weltraum überleben kann und gleichzeitig ein großer Erfolg für die Geowissenschaften war. Mehr als 15 Millionen Bilder, die in zwei Infrarotbändern aufgenommen wurden, brachten den Erfindern Jhabvala und ihren NASA-Kollegen Goddard, Don Jennings und Compton Tucker die Auszeichnung „Erfindung des Jahres 2021“ der Agentur ein.

Die Testdaten lieferten detaillierte Informationen über Waldbrände, ein besseres Verständnis der vertikalen Struktur von Wolken und der Erdatmosphäre und erfassten einen windgetriebenen Aufwind, der die terrestrischen Merkmale der Erde anhob, eine sogenannte Schwerewelle.

Revolutionäre Infrarotsensoren nutzen Schichten sich wiederholender molekularer Strukturen, um mit einzelnen Photonen oder Lichteinheiten zu interagieren. Die Sensoren erfassen mehr Infrarotwellenlängen mit einer höheren Auflösung: 260 Fuß (80 Meter) pro Pixel aus der Umlaufbahn, verglichen mit 1.000 bis 3.000 Fuß (375 bis 1.000 Meter), die mit aktuellen Wärmebildkameras möglich sind.

Der Erfolg dieser Wärmemesskameras hat Investitionen des Earth Science Technology Office (ESTO) der NASA, Small Business Innovation and Research und anderer Programme angezogen, um ihren Umfang und ihre Anwendungen weiter anzupassen.

Jhabvala und das Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS)-Team der NASA entwickeln eine Sechsbandversion für das diesjährige Airborne LiDAR, Hyperspectral, and Thermal Imager (G-LiHT)-Projekt. Diese erste Kamera ihrer Art werde die Oberflächenwärme messen und die Überwachung der Verschmutzung und Brandbeobachtung mit hohen Bildraten ermöglichen, sagte er.

Der NASA-Goddard-Erdforscher Doug Morton leitet ein ESTO-Projekt zur Entwicklung eines kompakten Feuerbildgebers zur Erkennung und Vorhersage von Waldbränden.

„Wir werden nicht weniger Brände erleben, deshalb versuchen wir zu verstehen, wie Brände im Laufe ihres Lebenszyklus Energie freisetzen“, sagte Morton. „Dies wird uns helfen, die neue Natur von Bränden in einer zunehmend brennbaren Welt besser zu verstehen.“

CFI wird sowohl heißere Brände überwachen, die mehr Treibhausgase freisetzen, als auch kühlere, schwelende Kohlen und Asche, die mehr Kohlenmonoxid und luftgetragene Partikel wie Rauch und Asche produzieren.

„Das sind Schlüsselfaktoren für die Sicherheit und das Verständnis der bei der Verbrennung freigesetzten Treibhausgase“, sagte Morton.

Nachdem Mortons Team den Brandbildgeber bei Einsätzen in der Luft getestet hat, plant er, eine Flotte von zehn Kleinsatelliten auszurüsten, um globale Brandinformationen mit mehr Bildern pro Tag bereitzustellen.

In Kombination mit Computermodellen der nächsten Generation, sagte er, „können diese Informationen den Forstbehörden und anderen Feuerwehrbehörden dabei helfen, Brände zu verhindern, die Sicherheit der Feuerwehrleute an vorderster Front zu verbessern und das Leben und Eigentum derjenigen zu schützen, die im Weg der Brände leben.“

Die Wolken auf der Erde und darüber hinaus erforschen

Ausgestattet mit Polarisationsfiltern könnte der Sensor messen, wie Eispartikel in Wolken in der oberen Erdatmosphäre Licht streuen und polarisieren, sagte Dong Wu, Goddard-Erdewissenschaftler der NASA.

Diese Anwendungen würden die PACE-Mission (Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem) der NASA ergänzen, sagte Wu, die Anfang dieses Monats ihre ersten Lichtbilder veröffentlichte. Beide messen die Polarisation der Ausrichtung der Lichtwelle relativ zur Ausbreitungsrichtung aus verschiedenen Teilen des Infrarotspektrums.

„PACE-Polarimeter überwachen sichtbares und kurzwelliges Infrarotlicht“, erklärte er. „Die Mission wird sich auf die Aerosol- und Ozeanfarbenforschung aus Tagesbeobachtungen konzentrieren. Im mittleren und langen Infrarotwellenlängenbereich würde das neue Infrarotpolarimeter die Eigenschaften von Wolken und Oberflächen aus ‚Tages- und Nachtbeobachtungen‘ erfassen.“

In einem weiteren Projekt arbeitet Hewagama mit Jhabvala und Jennings zusammen, um lineare variable Filter zu integrieren, die noch mehr Details im Infrarotspektrum liefern. Die Filter offenbaren die Rotation und Schwingungen atmosphärischer Moleküle sowie die Zusammensetzung der Erdoberfläche.

Die Technologie könnte auch Missionen zu Gesteinsplaneten, Kometen und Asteroiden zugute kommen, sagte die Planetenforscherin Carrie Anderson. Sie sagte, sie könnten Eis und flüchtige Verbindungen identifizieren, die in riesigen Wolken vom Saturnmond Enceladus ausgestoßen werden.

„Das sind im Wesentlichen Eisgeysire“, sagte sie, „die natürlich kalt sind, aber Licht innerhalb der Erfassungsgrenzen des neuen Infrarotsensors aussenden. Wenn wir die Wolken vor dem Hintergrund der Sonne betrachten, könnten wir ihre Zusammensetzung und Vertikale identifizieren.“ Verteilung sehr deutlich.