Gli ingegneri della NASA testeranno una serie di nuove tecnologie laser da un aereo quest'estate per il telerilevamento delle scienze della Terra. Chiamati "lidar", gli strumenti potrebbero anche essere utilizzati per migliorare i modelli della forma della luna e aiutare la ricerca dei siti di atterraggio di Artemide.
Simili al sonar, ma utilizzando la luce anziché il suono, i lidar calcolano le distanze cronometrando il tempo impiegato da un raggio laser per riflettersi su una superficie e tornare a uno strumento. Ping multipli del laser possono fornire la velocità relativa e persino l'immagine 3D di un bersaglio. Aiutano sempre più gli scienziati e gli esploratori della NASA a navigare, mappare e raccogliere dati scientifici.
Gli ingegneri e gli scienziati del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, continuano a perfezionare i lidar trasformandoli in strumenti più piccoli, leggeri e versatili per la scienza e l'esplorazione, con l'aiuto dell'hardware fornito da piccole imprese e partner accademici.
"I lidar per l'imaging 3D esistenti faticano a fornire la risoluzione da 2 pollici necessaria alle tecnologie di guida, navigazione e controllo per garantire atterraggi precisi e sicuri, essenziali per le future missioni di esplorazione robotica e umana", ha affermato l'ingegnere del team Jeffrey Chen. "Un sistema di questo tipo richiede un lidar 3D per il rilevamento dei pericoli e un lidar doppler di navigazione, e nessun sistema esistente può eseguire entrambe le funzioni."
Entra CASALS, il sistema simultaneo di spettrometria artificiale intelligente e Adaptive Lidar. Sviluppato attraverso l'IRAD di Goddard, il programma interno di ricerca e sviluppo, CASALS fa brillare un laser sintonizzabile attraverso un reticolo prismatico per diffondere il raggio in base alle sue lunghezze d'onda variabili. I lidar tradizionali pulsano un laser a lunghezza d'onda fissa che viene suddiviso in più raggi da specchi e lenti ingombranti per dividerlo in più raggi. Uno strumento CASALS potrebbe coprire una superficie maggiore di un pianeta in ogni passaggio rispetto a quella utilizzata dai lidar per decenni per misurare la Terra, la Luna e Marte.
Le dimensioni ridotte, il peso e i requisiti energetici inferiori di CASALS consentono piccole applicazioni satellitari e lidar portatili da utilizzare sulla superficie lunare, ha affermato Guangning Yang, ingegnere di Goddard e responsabile dello sviluppo di CASALS.
Il team CASALS ha ricevuto finanziamenti dall'Earth Science Technology Office della NASA per testare i miglioramenti in aereo nel 2024, portando il loro sistema più vicino alla disponibilità per il volo spaziale.
Man mano che i lidar diventano più specializzati, CASALS può incorporare diverse lunghezze d'onda o colori della luce laser per applicazioni come la scienza della Terra, l'esplorazione di altri pianeti e oggetti nello spazio e le operazioni di navigazione e rendezvous.
Il team CASALS ha utilizzato i finanziamenti Goddard IRAD e NASA SBIR (Small Business Innovation Research Program) insieme ai partner commerciali Axsun Technologies e Freedom Photonics per sviluppare nuovi laser a regolazione rapida nella porzione di 1 micron dello spettro infrarosso per le scienze della Terra e l’esplorazione planetaria. In confronto, i lidar comunemente disponibili utilizzati per lo sviluppo di veicoli a guida autonoma utilizzano in genere laser da 1,5 micron per i calcoli di portata e velocità.
Sulla Terra, le lunghezze d'onda vicine a 1 micron passano facilmente attraverso l'atmosfera e sono efficaci nel differenziare la vegetazione dal terreno nudo, ha affermato Ian Adams, capo tecnologo di Goddard per le scienze della Terra. Le lunghezze d'onda vicine a 0,97 e 1,45 micron offrono preziose informazioni sul vapore acqueo nell'atmosfera terrestre, ma non viaggiano in modo altrettanto efficiente verso la superficie.
In un progetto correlato, il team ha collaborato con Left Hand Design Corporation per sviluppare uno specchio orientabile per estendere la copertura delle immagini 3D di CASALS e migliorare la risoluzione. Ha affermato che la frequenza cardiaca più elevata del lidar può aumentare la sensibilità del segnale per fornire misurazioni di portata e velocità fino a 60 miglia.
Anche le missioni legate ad Artemis che cercano di atterrare vicino al Polo Sud della Luna potrebbero utilizzare le immagini più nitide di CASALS per valutare la sicurezza di potenziali siti di atterraggio.
Modelli 3D più dettagliati della luna hanno guidato lo sforzo dell'IRAD dello scienziato planetario Goddard Erwan Mazarico per perfezionare la capacità di CASALS di misurare dettagli di superficie inferiori a 3 piedi. Ha detto che questo aiuterà a comprendere le strutture del sottosuolo della Luna e i cambiamenti nel tempo.
Ogni mese, il percorso della Terra attraverso il cielo lunare si sposta entro 10 o 20 gradi dal centro del lato rivolto verso la Terra.
"Abbiamo previsto, in base alla nostra comprensione della sua struttura interna, che l'attrazione mutevole della Terra potrebbe cambiare il rigonfiamento delle maree o la forma della Luna", ha detto Mazarico. "Le misurazioni ad alta risoluzione di tale deformazione potrebbero dirci di più sulle potenziali variazioni all'interno della Luna. Risponde come un corpo completamente uniforme all'interno?"
Il Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) della NASA ha misurato il satellite naturale della Terra dal 2009, modellando il terreno della Luna e fornendo una vasta gamma di scoperte con l'aiuto di LOLA, il suo altimetro Lidar orbitante lunare. LOLA emette 28 impulsi laser al secondo, suddivisi in cinque raggi che toccano la superficie a una distanza compresa tra 65 e 100 piedi. Gli scienziati utilizzano le immagini LRO per stimare le caratteristiche superficiali più piccole tra le misurazioni laser.
Il laser di CASALS, tuttavia, consente l'equivalente di diverse centinaia di migliaia di impulsi al secondo, riducendo la distanza tra le misurazioni della superficie.
"Un set di dati più denso e accurato ci consentirebbe di studiare caratteristiche molto più piccole", ha affermato Mazarico, comprese quelle relative agli impatti, all'attività vulcanica e alla tettonica. "Stiamo parlando di misurazioni in più di ordini di grandezza. Questo potrebbe rappresentare un grande punto di svolta in termini di tipo di dati che otteniamo da Lidar."
Fornito dalla NASA
