CASALS: instrumentul NASA care elimină golurile din hărțile 3D ale suprafeței Pământului
O echipă de cercetători de la Centrul de Zbor Spațial Goddard al NASA a dezvoltat un instrument menit să elimine zonele nemapate dintre fâșiile de date lidar de la suprafața Pământului. Construit cu sprijinul Biroului pentru Tehnologia Științei Pământului din cadrul NASA, Concurrent Artificially-intelligent Spectrometry Lidar System (CASALS) ar putea ajuta cercetătorii să cartografieze în detaliu caracteristicile suprafeței terestre.
În loc să direcționeze mecanic un laser prin oglinzi mobile, CASALS orientează lumina folosind lungimea de undă, generând o bandă 3D continuă a suprafeței de sub aparat. John Yorks, cercetător în științe fizice la Goddard și investigator principal al proiectului, a explicat că instrumentul are un emițător nou și un sistem de grătare optice care manipulează impulsurile laser fără oglinzi motorizate grele și predispuse la defecțiuni.
CASALS folosește un laser „sămânță” reglabil, cu pulsații rapide, centrat la 1.040 de nanometri, care parcurge rapid 256 de lungimi de undă distincte în timp ce pulsează printr-o componentă optică cu un model microscopic de creste, numită grătar de transmisie. Aici intervine fizica difracției: pentru că lumina se îndoaie la unghiuri ușor diferite în funcție de lungimea sa de undă exactă, grătarul „direcționează” în mod natural fiecare dintre cele 256 de impulsuri către o poziție distinctă de-a lungul traiectoriei de zbor.
Această abordare nemecanică conturează o bandă 3D continuă a terenului. Nu doar că elimină golurile mari nemapate dintre fâșiile izolate ale lidarelor spațiale tradiționale, dar renunțarea la piesele mobile reduce dimensiunile, greutatea și consumul de energie ale instrumentului, ceea ce îl face mai fiabil pentru mediul dur din spațiu.
O altă inovație cheie a CASALS este matricea de detectori, care are o eficiență cuantică ridicată — un indicator al cât de eficient transformă detectorul lumina primită în semnal electric. CASALS funcționează la o eficiență cuantică de 80%, ceea ce înseamnă că aproape nimic din lumina care ajunge la senzor nu este irosit. Cu o asemenea eficiență, instrumentul poate detecta semnale de întoarcere mult mai slabe, reușind să colecteze măsurători utile de pe suprafețe mai întunecate sau prin vegetație mai deasă.
Tehnologia nu a rămas doar în laborator. În noiembrie 2024, un prototip aeropurtat CASALS a zburat la bordul aeronavei B200 King Air a NASA. Instrumentul a produs seturi de date de calitate științifică încă din prima campanie, depășind așteptările echipei. „Sunt foarte impresionat de Guang Yang, Jeffrey Chen și de toți inginerii noștri și de cât de bine s-a comportat CASALS. A funcționat foarte bine încă de la primul zbor, ceea ce este destul de impresionant”, a declarat Yorks.
Zburând la o altitudine de aproximativ 5 kilometri, CASALS poate distinge ramuri individuale de copaci și variații fine ale altitudinii terenului, datorită rezoluției orizontale de 22 de centimetri. „Reușim să vedem detalii foarte fine ale structurii vegetației și schimbările din topografia suprafeței”, a spus Yorks.
Echipa intenționează să mai efectueze un zbor cu CASALS în cadrul campaniei Airborne Surface, Cryosphere, Ecosystem, and Nearshore Topography (ASCENT), programată pentru vara anului 2027. Mai rămân însă pași de parcurs pentru pregătirea tehnologiei pentru spațiu. Echipa plănuiește mai multe îmbunătățiri înainte de a crea un prototip gata pentru spațiu: lărgirea benzii de scanare a instrumentului și adăugarea unui software de procesare a datelor la bord.
Trecerea de la un prototip aeropurtat de succes la o misiune spațială completă este o provocare, dar echipa CASALS este pregătită. „Echipa a făcut într-adevăr o treabă excelentă rămânând unită și menținându-se pe sarcină și pe calendar. Suntem finanțați să optimizăm și să îmbunătățim performanța și, de asemenea, căutăm modalități de a maturiza tehnologiile folosite în instrumentul aeropurtat și de a le pregăti pentru o versiune spațială în viitor”, a spus Yorks.
Dacă va reuși, CASALS ar putea deveni primul lidar spațial capabil să cartografieze pădurile și relieful Pământului ca benzi tridimensionale continue, în loc de profile izolate, oferind oamenilor de știință o imagine mai completă a planetei noastre în schimbare.
