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La NASA y la industria mejoran los Lidar para la exploración y la ciencia

NASA | 20/03/2024 | 11:46

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. Llamados lidar, los instrumentos también podrían usarse para mejorar los modelos de la forma de la Luna y ayudar en la búsqueda de sitios de aterrizaje de Artemisa.
 
Al igual que el sonar, pero utilizando luz en lugar de sonido, los lidar calculan las distancias cronometrando el tiempo que tarda un rayo láser en reflejarse en una superficie y volver a un instrumento. Múltiples pings del láser pueden proporcionar la velocidad relativa e incluso la imagen en 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 refinando los lidares 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 lidares de imágenes 3D existentes luchan por proporcionar la resolución de 2 pulgadas que necesitan las tecnologías de guiado, navegación y control para garantizar aterrizajes precisos y seguros esenciales para futuras misiones de exploración robótica y humana", dijo el ingeniero del equipo Jeffrey Chen. "Un sistema de este tipo requiere un lidar de detección de peligros en 3D y un lidar Doppler de navegación, y ningún sistema existente puede realizar ambas funciones".
 
Ingrese a CASALS, el sistema concurrente de espectrometría con inteligencia artificial y Lidar adaptativo. Desarrollado a través del programa IRAD, Investigación y Desarrollo Interno de Goddard, CASALS hace brillar un láser sintonizable a través de una rejilla similar a un prisma para extender el haz en función de sus longitudes de onda cambiantes. Los lidares 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 de la superficie de un planeta en cada pasada que los lidares 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 de 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.
 
¿De qué color es tu Lidar?
 
A medida que los lidars se vuelven más especializados, CASALS puede incorporar diferentes longitudes de onda o colores de luz láser para aplicaciones como las ciencias de la Tierra, la exploración de otros planetas y objetos en el espacio, y las operaciones de navegación y encuentro.
 
El equipo de CASALS utilizó la financiación 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 ajuste rápido en la porción de 1 micra del espectro infrarrojo para las ciencias de la Tierra y la exploración planetaria. En comparación, los lidares comúnmente disponibles que se utilizan para el desarrollo de vehículos autónomos suelen utilizar láseres de 1,5 micras para los cálculos de alcance y velocidad.
 
En la Tierra, las longitudes de onda cercanas a 1 micra pasan fácilmente a través de la atmósfera y son buenas para diferenciar la vegetación del suelo desnudo, dijo Ian Adams, jefe de tecnología de Goddard para las ciencias de la Tierra. Las longitudes de onda cercanas a 0,97 y 1,45 micras 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 usar las imágenes más nítidas de CASALS para ayudar a evaluar la seguridad de los posibles sitios de aterrizaje.
 
Enfocar la Luna
 
Los 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 subterráneas de la Luna y los cambios a lo largo del tiempo.
 
Cada mes, la trayectoria de la Tierra a través del cielo lunar se mueve dentro de los 10 o 20 grados del centro del lado que mira hacia la Tierra.
 
"Hemos predicho, basándonos en nuestra comprensión de su estructura interna, que la atracción cambiante de la Tierra podría cambiar la protuberancia de la marea 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. ¿Está respondiendo como un cuerpo completamente uniforme en el interior?"
 
El Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA 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 haces que tocan la superficie a una distancia de 65 a 100 pies. Los científicos utilizan imágenes LRO para estimar las características de la superficie más pequeñas entre las mediciones láser.
 
El láser de CASALS, sin embargo, permite el equivalente a varios cientos de miles de pulsos por segundo, lo que reduce la distancia entre las mediciones de superficie.
 
"Un conjunto de datos más denso y preciso nos permitiría estudiar características mucho más pequeñas", dijo Mazarico, incluidas las de impactos, actividad volcánica y tectónica. "Estamos hablando de órdenes de magnitud más mediciones. Eso podría ser un gran cambio de juego en términos del tipo de datos que obtenemos de LIDAR".