Un tecnologo della NASA ha collaborato con l'inventore di una nuova nanotecnologia che potrebbe trasformare il modo in cui gli scienziati spaziali costruiscono spettrometri, l'importantissimo dispositivo utilizzato praticamente da tutte le discipline scientifiche per misurare le proprietà della luce emanata da oggetti astronomici, compresa la Terra stessa.

Mahmooda Sultana, un ingegnere di ricerca presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, ora sta collaborando con Moungi Bawendi, un professore di chimica presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge, o MIT, sviluppare un prototipo di spettrometro di imaging basato sulla tecnologia emergente dei punti quantici di cui il gruppo di Bawendi è stato il pioniere.

Fondo per l'innovazione del Centro della NASA, che supporta potenzialmente pionieri, tecnologie ad alto rischio, sta finanziando lo sforzo.

Presentazione dei punti quantici

I punti quantici sono un tipo di nanocristallo semiconduttore scoperto nei primi anni '80. Invisibile ad occhio nudo, i punti hanno dimostrato nei test di assorbire diverse lunghezze d'onda della luce a seconda delle loro dimensioni, forma, e composizione chimica. La tecnologia è promettente per le applicazioni che si basano sull'analisi della luce, comprese le fotocamere degli smartphone, dispositivi medici, e apparecchiature per test ambientali.

"Questo è il più nuovo possibile, "Sutana ha detto, riferendosi alla tecnologia che secondo lei potrebbe miniaturizzare e potenzialmente rivoluzionare gli spettrometri spaziali, in particolare quelli utilizzati su veicoli aerei disabitati e piccoli satelliti. "Potrebbe davvero semplificare l'integrazione degli strumenti".

spettrometri di assorbimento, come suggerisce il nome, misurare l'assorbimento della luce in funzione della frequenza o della lunghezza d'onda a causa della sua interazione con un campione, come i gas atmosferici.

Dopo aver attraversato o interagito con il campione, la luce raggiunge lo spettrometro. Gli spettrometri tradizionali utilizzano reticoli, prismi, o filtri di interferenza per dividere la luce nelle sue lunghezze d'onda componenti, che i loro pixel rivelatori poi rilevano per produrre spettri. Più intenso è l'assorbimento negli spettri, maggiore è la presenza di una specifica sostanza chimica.

Mentre gli spettrometri spaziali stanno diventando più piccoli a causa della miniaturizzazione, sono ancora relativamente grandi, ha detto Sultana. "La risoluzione spettrale più elevata richiede lunghi percorsi ottici per gli strumenti che utilizzano reticoli e prismi. Ciò si traduce spesso in strumenti di grandi dimensioni. Mentre qui, con punti quantici che agiscono come filtri che assorbono diverse lunghezze d'onda a seconda della loro dimensione e forma, possiamo realizzare uno strumento ultracompatto. In altre parole, potresti eliminare le parti ottiche, come grate, prismi, e filtri di interferenza."

Altrettanto importante, la tecnologia consente allo sviluppatore dello strumento di generare un numero quasi illimitato di punti diversi. Man mano che le loro dimensioni diminuiscono, la lunghezza d'onda della luce che i punti quantici assorbiranno diminuisce. "Ciò rende possibile produrre un sintonizzabile continuamente, eppure distinto, set di filtri assorbenti in cui ogni pixel è costituito da un punto quantico di una dimensione specifica, forma, o composizione. Avremmo un controllo preciso su ciò che ogni punto assorbe. Potremmo letteralmente personalizzare lo strumento per osservare molte bande diverse con una risoluzione spettrale elevata".

Strumento prototipo in fase di sviluppo

Con il suo supporto allo sviluppo tecnologico della NASA, Sultana sta lavorando per sviluppare, qualificarsi attraverso prove di vuoto termico e vibrazioni, e dimostrare una matrice di punti quantici 20x20 sensibile alle lunghezze d'onda visibili necessarie per l'immagine del sole e dell'aurora. Però, la tecnologia può essere facilmente ampliata per coprire una gamma più ampia di lunghezze d'onda, dall'ultravioletto al medio infrarosso, che possono trovare molte potenziali applicazioni spaziali nelle scienze della Terra, eliofisica, e scienze planetarie, lei disse.

Sotto la collaborazione, Sultana sta sviluppando un concetto di strumento in particolare per un'applicazione CubeSat e lo studente di dottorato del MIT Jason Yoo sta studiando tecniche per sintetizzare diversi precursori chimici per creare i punti e quindi stamparli su un substrato adatto. "In definitiva, vorremmo stampare i punti direttamente sui pixel del rilevatore, " lei disse.

"Si tratta di una tecnologia molto innovativa, "Sutana ha aggiunto, ammettendo che è molto presto nel suo sviluppo. "Ma stiamo cercando di aumentare il suo livello di prontezza tecnologica molto rapidamente. Sono in cantiere diverse opportunità di scienza spaziale che potrebbero trarne vantaggio".