Eine neue Infrarotkamera mit höherer Auflösung, die mit einer Vielzahl leichter Filter ausgestattet ist, könnte das von der oberen Atmosphäre und der Oberfläche der Erde reflektierte Sonnenlicht untersuchen, die Waldbrandwarnung verbessern und die molekulare Zusammensetzung anderer Planeten enthüllen.
Die Kameras verwenden empfindliche, hochauflösende Strained-Layer-Superlattice-Sensoren, die ursprünglich am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, entwickelt wurden.
Ihre kompakte Konstruktion, geringe Masse und Anpassungsfähigkeit ermöglichen es Ingenieuren wie Tilak Hewagama, sie an die Bedürfnisse verschiedenster Wissenschaften anzupassen.
„Durch die direkte Anbringung von Filtern am Detektor entfällt die beträchtliche Masse herkömmlicher Linsen- und Filtersysteme“, sagte Hewagama. „Dadurch entsteht ein Instrument mit geringer Masse und kompakter Brennebene, das nun mit kleineren, effizienteren Kühlern für die Infraroterkennung gekühlt werden kann. Kleinere Satelliten und Missionen können von ihrer Auflösung und Genauigkeit profitieren.“
Der Ingenieur Murzy Jhabvala leitete die anfängliche Sensorentwicklung im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und ist auch führend bei den heutigen Filterintegrationsbemühungen.
Jhabvala leitete auch das Compact Thermal Imager-Experiment auf der Internationalen Raumstation, das demonstrierte, wie die neue Sensortechnologie im Weltraum überleben kann, und gleichzeitig einen großen Erfolg für die Geowissenschaften darstellte. Mehr als 15 Millionen in zwei Infrarotbändern aufgenommene Bilder brachten den Erfindern Jhabvala und seinen NASA-Kollegen Don Jennings und Compton Tucker von Goddard die Auszeichnung „Erfindung des Jahres 2021“ ein.
Die Daten aus dem Test lieferten detaillierte Informationen über Waldbrände, ermöglichten ein besseres Verständnis der vertikalen Struktur der Wolken und der Atmosphäre der Erde und erfassten einen Aufwind, der durch den Wind verursacht wird, der sich von den Landstrukturen der Erde abhebt – eine sogenannte Schwerewelle.
Die bahnbrechenden Infrarotsensoren nutzen Schichten sich wiederholender molekularer Strukturen, um mit einzelnen Photonen oder Lichteinheiten zu interagieren. Die Sensoren erfassen mehr Wellenlängen im Infrarotbereich mit einer höheren Auflösung: 80 Meter pro Pixel aus der Umlaufbahn im Vergleich zu 375 bis 1000 Metern, die mit aktuellen Wärmebildkameras möglich sind.
Der Erfolg dieser Wärmemesskameras hat Investitionen des Earth Science Technology Office (ESTO) der NASA, Small Business Innovation and Research und anderer Programme nach sich gezogen, um ihre Reichweite und Anwendungen weiter anzupassen.
Jhabvala und das Advanced Land Imaging Thermal IR Sensor (ALTIRS)-Team der NASA entwickeln eine Sechsbandversion für das diesjährige Flugprojekt LiDAR, Hyperspectral & Thermal Imager (G-LiHT). Diese erste Kamera ihrer Art werde die Oberflächenwärme messen und die Überwachung der Umweltverschmutzung und Brandbeobachtungen mit hohen Bildraten ermöglichen, sagte er.
Der Erdwissenschaftler Doug Morton vom NASA-Goddard-Institut leitet ein ESTO-Projekt zur Entwicklung eines Compact Fire Imager zur Erkennung und Vorhersage von Waldbränden.
„Wir werden nicht weniger Brände erleben, also versuchen wir zu verstehen, wie Brände im Laufe ihres Lebenszyklus Energie freisetzen“, sagte Morton. „Das wird uns helfen, die neue Natur von Bränden in einer zunehmend entflammbaren Welt besser zu verstehen.“
CFI wird sowohl die heißesten Brände überwachen, die mehr Treibhausgase freisetzen, als auch kühlere, schwelende Kohlen und Asche, die mehr Kohlenmonoxid und luftgetragene Partikel wie Rauch und Asche produzieren.
„Das sind Schlüsselfaktoren, wenn es um Sicherheit und das Verständnis der bei der Verbrennung freigesetzten Treibhausgase geht“, sagte Morton.
Nachdem sie den Brandbildgeber bei Einsätzen in der Luft getestet haben, stellt sich Mortons Team vor, eine Flotte von 10 kleinen Satelliten auszustatten, um weltweite Informationen über Brände mit mehr Bildern pro Tag bereitzustellen.
In Kombination mit Computermodellen der nächsten Generation, sagte er, „können diese Informationen dem Forstdienst und anderen Feuerwehrbehörden dabei helfen, Brände zu verhindern, die Sicherheit der Feuerwehrleute an der Front zu verbessern und das Leben und Eigentum der Menschen zu schützen, die im Weg der Brände leben.“
Wolken auf der Erde und darüber hinaus erforschen
Ausgestattet mit Polarisationsfiltern könne der Sensor messen, wie Eispartikel in den Wolken in der oberen Erdatmosphäre Licht streuen und polarisieren, sagte Dong Wu, Erdwissenschaftler am NASA-Goddard-Institut.
Diese Anwendungen würden die PACE-Mission der NASA (Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem) ergänzen, sagte Wu, die Anfang des Monats ihre ersten Lichtbilder veröffentlichte. Beide messen die Polarisation der Lichtwellenausrichtung in Bezug auf die Bewegungsrichtung aus verschiedenen Teilen des Infrarotspektrums.
„Die PACE-Polarimeter überwachen sichtbares und kurzwelliges Infrarotlicht“, erklärte er. „Die Mission wird sich auf Aerosol- und Ozeanfarbwissenschaften aus Tagesbeobachtungen konzentrieren. Bei mittleren und langen Infrarotwellenlängen würde das neue Infrarot-Polarimeter Wolken- und Oberflächeneigenschaften sowohl aus Tages- als auch aus Nachtbeobachtungen erfassen.“
In einem weiteren Projekt arbeitet Hewagama mit Jhabvala und Jennings an der Integration linearer variabler Filter, die noch mehr Details im Infrarotspektrum liefern. Die Filter zeigen die Rotation und Vibration atmosphärischer Moleküle sowie die Zusammensetzung der Erdoberfläche.
Diese Technologie könnte auch für Missionen zu Gesteinsplaneten, Kometen und Asteroiden von Nutzen sein, sagte die Planetenforscherin Carrie Anderson. Sie sagte, sie könnten Eis und flüchtige Verbindungen identifizieren, die in riesigen Fontänen aus dem Saturnmond Enceladus ausgestoßen werden.
„Es handelt sich im Wesentlichen um Geysire aus Eis“, sagte sie, „die natürlich kalt sind, aber Licht innerhalb der Erfassungsgrenzen des neuen Infrarotsensors aussenden. Wenn wir die Wolken vor dem Hintergrund der Sonne betrachten, könnten wir ihre Zusammensetzung und vertikale Verteilung identifizieren.“ sehr deutlich.“