All'improvviso, un minuscolo satellite finanziato dalla NASA, uno dei tanti passeggeri a bordo della navicella spaziale SpaceX Dragon, sparato nel cielo in una missione per dimostrare che la sua nuova tecnologia potrebbe cambiare il modo in cui misuriamo la Terra, ed eventualmente, la luna.

Il radiometro a infrarossi compatto nello strumento spaziale su CubeSat, noto anche come CIRiS, lanciato dalla Cape Canaveral Air Force Station in Florida alla Stazione Spaziale Internazionale il 5 dicembre. Il satellite delle dimensioni di uno zaino mira a raccogliere, elaborare e calibrare le immagini a infrarossi per rivelare per la prima volta la temperatura della Terra da un piccolo satellite. "Se possiamo farlo, abbiamo notevolmente aumentato il valore dei dati per le applicazioni di Scienze della Terra, così come la gestione del territorio e dell'acqua, "Davide Ostermann, il Principal Investigator CIRiS presso Ball Aerospace, disse.

Gli agricoltori potrebbero utilizzare i dati del CIRiS per determinare se un aranceto ha bisogno di più acqua o se un vigneto è troppo umido. Infatti, agricoltori, i gestori delle risorse idriche e altri decisori stanno iniziando a utilizzare stime telerilevate del consumo di acqua da sensori più grandi come il sensore a infrarossi termico (TIRS) a bordo di Landsat 8, che è gestito congiuntamente dall'U.S. Geological Survey e dalla NASA.

CIRiS mira a dimostrare nuove capacità per completare le future missioni di osservazione della Terra della NASA come Landsat, aumentando la frequenza di raccolta delle immagini a dimensioni e costi potenzialmente ridotti. "Stiamo cercando di ottenere prestazioni elevate in tutto pur inserendosi in un piccolo spazio, " disse Ostermann.

Anche prima che CIRiS lasciasse la Terra, La NASA ha finanziato suo fratello, L-CIRiS, che ha una "L" per lunare, dirigersi verso la Luna e utilizzare strumenti simili per identificare i minerali lunari. L-CIRiS sarà anche costruito da Ball Aerospace ed è stato selezionato come parte del programma lunare Artemis della NASA, che aiuterà la NASA a inviare gli astronauti sulla Luna entro il 2024 come modo per prepararsi a inviare i primi umani su Marte.

Il CIRiS per l'osservazione della Terra è attualmente sulla stazione spaziale. Rimarrà lì per alcune settimane finché non sarà trasferito sul veicolo cargo Cygnus, che lo porterà a 100 chilometri più in alto della stazione spaziale per il dispiegamento.

Piccolo satellite, grandi dati

Piccoli satelliti, inclusi CubeSat, stanno svolgendo un ruolo crescente nell'esplorazione, dimostrazione di tecnologia, ricerca scientifica e indagini educative presso la NASA. Le missioni fino ad oggi hanno incluso l'esplorazione dello spazio planetario, osservazioni della Terra, e la scienza fondamentale della Terra e dello spazio. I CubeSat sono anche utilizzati per sviluppare tecnologie spaziali precursori come comunicazioni laser all'avanguardia, comunicazioni da satellite a satellite e capacità di movimento autonomo.

Il CIRiS CubeSat, che può misurare a distanza la temperatura della superficie terrestre, miniaturizza una serie di componenti ed elimina altri che gli strumenti convenzionali utilizzano per raccogliere immagini a onde lunghe (spettro infrarosso). Queste immagini indicano le regioni calde e fredde come colori su un display "mappa di calore".

Una volta che CIRiS ha raccolto queste immagini, li calibra mentre sono in orbita, il che significa che assegna valori numerici convalidati a ciascun pixel. "La calibrazione ti consente di prendere i dati e spostarli un passo avanti dove hanno un significato scientifico e possono contribuire alla scienza effettiva, " disse Osterman. Non solo puoi vedere se un tratto di terra è più caldo dei suoi dintorni, puoi vedere di quanto.

Ad esempio, le misurazioni a infrarossi possono aiutare gli scienziati a comprendere meglio l'evapotraspirazione, che è l'acqua evaporata dal suolo più l'acqua rilasciata dalle foglie delle piante mentre traspirano, o respirare. L'evapotraspirazione aiuta a raffreddare le piante, quindi la temperatura è un indicatore chiave dell'utilizzo dell'acqua da parte delle piante. Conoscere il livello quantitativo di evapotraspirazione è utile per i coltivatori in quanto determinano quali piante hanno bisogno di più acqua.

L'obiettivo della missione CIRiS è convalidare e dimostrare la nuova tecnologia. In caso di successo, un potenziale passo successivo sarebbe una missione che aggiunga la capacità di raccogliere immagini nella parte visibile dello spettro per determinare i colori delle piante e l'area delle foglie. La luce visibile può rivelare quanto le piante solari stanno ricevendo e quanto sono sane.

Applicare i dati

La raccolta di immagini sia nel visibile che nell'infrarosso aiuterà l'industria della viticoltura, Per esempio. L'uva utilizzata per il vino ha bisogno di condizioni specifiche per prosperare. "I coltivatori in genere vogliono essere in grado di imporre stress alle viti durante determinate fasi di sviluppo per controllare la crescita della vegetazione, che determina quanto zucchero si sviluppa nell'uva, tra le altre qualità, " Bill Kustas, uno scienziato del servizio di ricerca agricola dell'USDA a Beltsville, Maryland, disse.

Bill Kustas e la collega Martha Anderson stanno conducendo un progetto finanziato dalla NASA chiamato GRAPEX, in collaborazione con la cantina E&J Gallo, finalizzato ad integrare le informazioni del telerilevamento termico negli strumenti decisionali irrigui per i vigneti. "Irrigare le uve da vino è una grande sfida per raggiungere gli obiettivi che i coltivatori vogliono raggiungere, " ha detto Anderson.

Su scala più ampia, i coltivatori di colture in tutta la California devono essere in grado di segnalare il loro uso di acqua per conformarsi al Sustainable Groundwater Management Act (SGMA) dello Stato della California, che mira ad aiutare lo stato a utilizzare e conservare in modo più efficiente i bacini idrici sotterranei che lo riforniscono di acqua dolce. "I coltivatori vedono le informazioni sull'evapotraspirazione telerilevate come preziose per conformarsi a SGMA perché possono usare il telerilevamento per stimare quanta acqua stanno usando piuttosto che cercare di estrarre queste informazioni dai loro registri di irrigazione, " ha detto Anderson.

Testare la tecnologia

CIRiS raccoglie energia a infrarossi e utilizza un "piano focale" per convertire tale energia in un segnale elettrico, simile a come una fotocamera digitale trasforma l'energia della luce visibile in un segnale elettrico. Molti piani focali per il rilevamento a infrarossi richiedono il funzionamento a temperature criogeniche, e quindi deve incorporare un criorefrigeratore per stabilire quelle temperature, disse Ostermann. Il team ha deciso di utilizzare un diverso tipo di piano focale che funziona senza crio-raffreddamento per ridurre le dimensioni del sensore.

Sebbene il piano focale di CIRiS non abbia lo stesso livello di sensibilità di un piano focale più grande con un criorefrigeratore, spera di compensare eventuali carenze con solide capacità di elaborare i dati. "Stiamo cercando di sostituire le prestazioni del software con le prestazioni dell'hardware, " disse Osterman. L'aspetto software, o trattamento dei dati, viene avviato sul veicolo spaziale e poi continua dopo che i dati sono stati scaricati a terra.

I dati raccolti da CIRiS possono essere confrontati con le immagini di altri sensori termici della NASA attualmente nello spazio, come l'esperimento ECOsystem Spaceborne Thermal Radiometer on Space Station (ECOSTRESS). Collettivamente, Gli strumenti di ricerca della NASA come CIRiS ed ECOSTRESS aiutano a identificare le caratteristiche ottimali del sensore che possono essere trasferite in programmi di monitoraggio a lungo termine, ha detto Anderson.

Se CubeSat riesce a dimostrare di poter operare nello spazio, Osterman spera di vedere una piccola costellazione di strumenti simili a CIRiS in orbita attorno alla Terra. Più CubeSat in orbita ci permetterebbero di misurare i cambiamenti nell'evapotraspirazione e altri fenomeni potenzialmente ogni giorno.

"È stato davvero emozionante vedere come piccoli strumenti e veicoli spaziali possono contribuire alla nostra comprensione della Terra e infine della Luna, " disse Ostermann.