Questo minuscolo laser sfrutta gli effetti su scala quantistica di materiali di appena decine di atomi di diametro per generare un raggio ad alta potenza in una porzione dello spettro in cui i laser tradizionali svaniscono in forza. Credito:NASA/Michael Giunto
Trovare acqua sulla luna potrebbe essere più facile con una tecnologia Goddard che utilizza un effetto chiamato tunnel quantistico per generare un laser terahertz ad alta potenza, colmando una lacuna nella tecnologia laser esistente.
Individuare l'acqua e altre risorse è una priorità della NASA cruciale per esplorare il satellite naturale della Terra e altri oggetti nel sistema solare e oltre. Precedenti esperimenti hanno dedotto, quindi confermato l'esistenza di piccole quantità di acqua attraverso la luna. Tuttavia, la maggior parte delle tecnologie non distingue tra acqua, ioni idrogeno liberi e idrossile, poiché i rilevatori a banda larga utilizzati non sono in grado di distinguere tra i diversi volatili.
L'ingegnere di Goddard, il dottor Berhanu Bulcha, ha affermato che un tipo di strumento chiamato spettrometro eterodina potrebbe ingrandire particolari frequenze per identificare e localizzare definitivamente le fonti d'acqua sulla luna. Avrebbe bisogno di un laser terahertz stabile, ad alta potenza, che è stato prototipato in collaborazione con Longwave Photonics attraverso il programma Small Business Innovation Research (SBIR) della NASA.
"Questo laser ci consente di aprire una nuova finestra per studiare questo spettro di frequenze", ha affermato. "Altre missioni hanno trovato idratazione sulla luna, ma ciò potrebbe indicare idrossile o acqua. Se è acqua, da dove viene? È originaria della formazione della luna o è arrivata più tardi per impatto di comete? Quanta acqua è c'è? Dobbiamo rispondere a queste domande perché l'acqua è fondamentale per la sopravvivenza e può essere utilizzata per produrre carburante per ulteriori esplorazioni".
Come suggerisce il nome, gli spettrometri rilevano gli spettri o le lunghezze d'onda della luce per rivelare le proprietà chimiche della materia che la luce ha toccato. La maggior parte degli spettrometri tende a operare su ampie sezioni dello spettro. Gli strumenti eterodina si collegano a frequenze luminose molto specifiche come infrarossi o terahertz. I composti contenenti idrogeno come l'acqua emettono fotoni nella gamma di frequenza dei terahertz (da 2 trilioni a 10 trilioni di cicli al secondo) tra microonde e infrarossi.
Come un microscopio per sottili differenze all'interno di una larghezza di banda come i terahertz, gli spettrometri eterodina combinano una sorgente laser locale con la luce in entrata. La misurazione della differenza tra la sorgente laser e la lunghezza d'onda combinata fornisce letture accurate tra le larghezze di banda secondarie dello spettro.
I laser tradizionali generano luce eccitando un elettrone all'interno del guscio esterno di un atomo, che quindi emette un singolo fotone durante la transizione o ritorna al suo livello di energia a riposo. Atomi diversi producono diverse frequenze di luce in base alla quantità fissa di energia necessaria per eccitare un elettrone. Tuttavia, i laser non sono all'altezza di una particolare porzione dello spettro tra infrarossi e microonde nota come gap terahertz.
"Il problema con la tecnologia laser esistente", ha affermato il dott. Bulcha, "è che nessun materiale ha le proprietà giuste per produrre un'onda terahertz".
Gli oscillatori elettromagnetici come quelli che generano frequenze radio o microonde producono impulsi terahertz a bassa potenza utilizzando una serie di amplificatori e moltiplicatori di frequenza per estendere il segnale nella gamma terahertz. Tuttavia, questo processo consuma molta tensione e i materiali utilizzati per amplificare e moltiplicare l'impulso hanno un'efficienza limitata. Ciò significa che perdono potenza quando si avvicinano alle frequenze terahertz.
Dall'altro lato del gap terahertz, i laser ottici pompano energia in un gas per generare fotoni. Tuttavia, i laser ad alta potenza in banda terahertz sono grandi, affamati di energia e non adatti a scopi di esplorazione spaziale in cui massa e potenza sono limitate, in particolare applicazioni portatili o piccoli satelliti. La potenza dell'impulso diminuisce anche quando i laser ottici spingono verso le larghezze di banda dei terahertz.
Per colmare questa lacuna, il team del Dr. Bulcha sta sviluppando laser a cascata quantistica che producono fotoni da ogni evento di transizione di elettroni, sfruttando alcune caratteristiche fisiche uniche su scala quantistica di materiali stratificati solo pochi atomi.
In questi materiali, un laser emette fotoni a una frequenza specifica determinata dallo spessore degli strati alternati di semiconduttori piuttosto che dagli elementi nel materiale. Nella fisica quantistica, gli strati sottili aumentano la possibilità che un fotone possa quindi passare attraverso lo strato successivo invece di rimbalzare sulla barriera. Una volta lì, eccita ulteriori fotoni. Utilizzando un materiale generatore con da 80 a 100 strati, per un totale di meno di 10-15 micron di spessore, la sorgente del team crea una cascata di fotoni di energia terahertz.
Questa cascata consuma meno tensione per generare una luce stabile e ad alta potenza. Uno svantaggio di questa tecnologia è che il suo raggio si diffonde in un ampio angolo, dissipandosi rapidamente su brevi distanze. Utilizzando una tecnologia innovativa supportata dal finanziamento della ricerca e sviluppo interni (IRAD) di Goddard, il dott. Bulcha e il suo team hanno integrato il laser su una guida d'onda con una sottile antenna ottica per stringere il raggio. L'unità laser e guida d'onda integrata riduce questa dissipazione del 50% in un pacchetto più piccolo di un quarto.
Spera di continuare il lavoro per realizzare un laser pronto per il volo per il programma Artemis della NASA.
Le ridotte dimensioni e il consumo energetico del laser gli consentono di adattarsi a un CubeSat 1U, delle dimensioni di una teiera, insieme all'hardware dello spettrometro, al processore e all'alimentatore. Potrebbe anche alimentare un dispositivo portatile per l'uso da parte di futuri esploratori sulla luna, su Marte e oltre. + Esplora ulteriormente
