Los ingenieros de la NASA probarán este verano un conjunto de nuevas tecnologías láser desde un avión para la teledetección de las ciencias de la Tierra. Los instrumentos, llamados lidar, también podrían usarse para mejorar los modelos de la forma de la Luna y ayudar en la búsqueda de lugares de aterrizaje de Artemisa.
Similar al sonar, pero usando luz en lugar de sonido, los lidars calculan distancias cronometrando el tiempo que tarda un rayo láser en reflejarse en una superficie y regresar a un instrumento. Múltiples pings del láser pueden proporcionar la velocidad relativa e incluso una imagen 3D de un objetivo. Ayudan cada vez más a los científicos y exploradores de la NASA a navegar, mapear y recopilar datos científicos.
Los ingenieros y científicos del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, continúan perfeccionando los lidars para convertirlos en herramientas más pequeñas, livianas y versátiles para la ciencia y la exploración, con la ayuda del hardware proporcionado por pequeñas empresas y socios académicos.
«Los lidars de imágenes 3D existentes luchan por proporcionar la resolución de 2 pulgadas que necesitan las tecnologías de guía, navegación y control para garantizar aterrizajes precisos y seguros, esenciales para futuras misiones de exploración robóticas y humanas», dijo el ingeniero del equipo Jeffrey Chen. «Un sistema de este tipo requiere un lidar de detección de peligros 3D y un lidar Doppler de navegación, y ningún sistema existente puede realizar ambas funciones».
Ingrese CASALS, el sistema Lidar adaptativo y espectrometría artificialmente inteligente concurrente. Desarrollado a través del programa de Investigación y Desarrollo Interno IRAD de Goddard, CASALS hace brillar un láser sintonizable a través de una rejilla similar a un prisma para difundir el haz en función de sus longitudes de onda cambiantes. Los lidars tradicionales pulsan un láser de longitud de onda fija que se divide en múltiples haces mediante espejos y lentes voluminosos para dividirlo en múltiples haces. Un instrumento CASALS podría cubrir más superficie de un planeta en cada pasada que los lidars utilizados durante décadas para medir la Tierra, la Luna y Marte.
El menor tamaño, peso y menores requisitos de energía de CASALS permiten aplicaciones de satélites pequeños, así como lidares portátiles o de mano para su uso en la superficie de la Luna, dijo el ingeniero de Goddard y líder de desarrollo de CASALS, Guangning Yang.
El equipo CASALS recibió financiación de la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra de la NASA para probar sus mejoras en avión en 2024, acercando su sistema a la preparación para vuelos espaciales.
A medida que los lidars se vuelven más especializados, CASALS puede incorporar diferentes longitudes de onda o colores de luz láser para aplicaciones como ciencias de la Tierra, exploración de otros planetas y objetos en el espacio, y operaciones de navegación y encuentro.
El equipo CASALS utilizó fondos de Goddard IRAD y SBIR (Programa de investigación de innovación para pequeñas empresas) de la NASA junto con los socios comerciales Axsun Technologies y Freedom Photonics para desarrollar nuevos láseres de sintonización rápida en la porción de 1 micrón del espectro infrarrojo para las ciencias de la Tierra y la exploración planetaria. En comparación, los lidars comúnmente disponibles que se utilizan para el desarrollo de vehículos autónomos suelen utilizar láseres de 1,5 micrones para calcular el alcance y la velocidad.
En la Tierra, longitudes de onda cercanas a 1 micrón pasan fácilmente a través de la atmósfera y son buenas para diferenciar la vegetación del suelo desnudo, dijo Ian Adams, tecnólogo jefe de ciencias de la Tierra de Goddard. Las longitudes de onda cercanas a 0,97 y 1,45 micrones ofrecen información valiosa sobre el vapor de agua en la atmósfera de la Tierra, pero no viajan tan eficientemente a la superficie.
En un proyecto relacionado, el equipo se asoció con Left Hand Design Corporation para desarrollar un espejo de dirección para ampliar la cobertura de imágenes 3D de CASALS y mejorar la resolución. Dijo que la frecuencia de pulso más alta del lidar puede aumentar la sensibilidad de la señal para proporcionar mediciones de alcance y velocidad de hasta 60 millas.
Las misiones relacionadas con Artemis que buscan aterrizar cerca del Polo Sur de la Luna también podrían utilizar las imágenes más nítidas de CASALS para ayudar a evaluar la seguridad de posibles lugares de aterrizaje.
Modelos 3D más detallados de la Luna impulsaron el esfuerzo IRAD del científico planetario de Goddard, Erwan Mazarico, para refinar la capacidad de CASALS para medir detalles de la superficie de menos de 3 pies. Dijo que esto ayudará a comprender las estructuras del subsuelo de la Luna y sus cambios a lo largo del tiempo.
Cada mes, la trayectoria de la Tierra a través del cielo lunar se mueve entre 10 y 20 grados del centro del lado que mira a la Tierra.
«Hemos predicho, basándonos en nuestra comprensión de su estructura interna, que la atracción cambiante de la Tierra podría cambiar el abultamiento de las mareas o la forma de la Luna», dijo Mazarico. “Las mediciones de alta resolución de esa deformación podrían decirnos más sobre las posibles variaciones dentro de la Luna. ¿Responde como un cuerpo totalmente uniforme en el interior?
de la NASA Orbitador de reconocimiento lunar (LRO) ha medido el satélite natural de la Tierra desde 2009, modelando el terreno de la Luna y proporcionando una gran cantidad de descubrimientos con la ayuda de LOLA, su altímetro Lidar en órbita lunar. LOLA dispara 28 pulsos láser por segundo, divididos en cinco rayos que tocan la superficie a una distancia de 65 a 100 pies de distancia. Los científicos utilizan imágenes LRO para estimar características de superficies más pequeñas entre mediciones láser.
El láser de CASALS, sin embargo, permite el equivalente a varios cientos de miles de pulsos por segundo, reduciendo la distancia entre mediciones de superficies.
«Un conjunto de datos más denso y preciso nos permitiría estudiar características mucho más pequeñas», dijo Mazarico, incluidas aquellas provenientes de impactos, actividad volcánica y tectónica. “Estamos hablando de órdenes de magnitud más medidas. Esto podría suponer un gran cambio en términos del tipo de datos que obtenemos del lidar”.
