Novi NASA-in laserski instrument popunjava praznine u 3D mapama Zemljine površine

Laserski instrumenti koji danas iz orbite mjere Zemljine šume i reljef rade po uskim linijama, a između tih linija ostaju ogromne praznine. Riječ je o milionima hektara zemljišta koje naučnici nikada nisu direktno izmjerili. Upravo taj problem želi riješiti novi instrument razvijen u NASA-inom Centru za svemirske letove Goddard (GSFC), nazvan CASALS, skraćeno od Concurrent Artificially-intelligent Spectrometry Lidar System.

Instrument je nastao uz podršku NASA-ine Kancelarije za tehnologiju nauke o Zemlji (ESTO). Kombinuje mašinsko učenje s ultrakompaktnim lidarom kako bi prilagodljivo „prebrisao“ široke pojaseve terena i od njih napravio prave trodimenzionalne topografske prikaze, bez slijepih tačaka koje ostavljaju dosadašnji svemirski lidari.

Svjetlost umjesto motora

Ključna razlika u odnosu na klasične sisteme je način na koji se laserski snop usmjerava. Umjesto teških motorizovanih ogledala, sklonih kvarovima, CASALS koristi samu talasnu dužinu svjetlosti. John Yorks, fizičar i istraživač u GSFC-u te glavni istraživač na projektu, objašnjava da instrument ima novi odašiljač i sistem optičke rešetke koji upravlja laserskim impulsima bez ijednog pokretnog dijela.

U srcu sistema je brzo pulsirajući podesivi „sjemenski“ laser centriran na 1040 nanometara, koji u ciklusu prolazi kroz 256 različitih talasnih dužina. Impulsi prolaze kroz optičku komponentu s mikroskopskim uzorkom izbočina, takozvanu transmisionu rešetku, a onda posao obavlja fizika difrakcije: svjetlost se lomi pod nešto drugačijim uglom zavisno od tačne talasne dužine, pa rešetka svaki od 256 impulsa prirodno usmjerava na drugu poziciju preko putanje ljeta. Rezultat je neprekidan 3D pojas terena ispod instrumenta.

Uklanjanje pokretnih dijelova ima još jednu prednost: drastično smanjuje veličinu, težinu i potrošnju energije instrumenta, što ga čini pouzdanijim u surovim uslovima svemira.

Detektor koji gotovo ništa ne gubi

Druga važna inovacija je niz detektora s izuzetno visokom kvantnom efikasnošću, vrijednošću koja pokazuje koliko uspješno detektor pretvara dolazne fotone u električni signal. CASALS radi s kvantnom efikasnošću od 80 posto, što znači da se gotovo ništa od svjetlosti koja se vrati do senzora ne gubi. Zahvaljujući tome instrument može registrovati i mnogo slabije povratne signale, pa prikuplja upotrebljiva mjerenja i s tamnijih površina ili kroz gušću vegetaciju.

Prvi let premašio očekivanja

Tehnologija je već napustila laboratoriju. U novembru 2024. avionski prototip CASALS-a letio je na NASA-inom avionu B200 King Air i već u prvoj kampanji dao podatke naučnog kvaliteta, bolje nego što je tim očekivao. Snimak s ljeta iznad močvare Great Cypress Swamp u Delawareu 12. novembra 2024. prikazuje vrhove krošnji u zelenoj, tlo u ljubičastoj, a nisku vegetaciju u plavoj boji.

Yorks je istakao da je veoma impresioniran radom inženjera Guanga Yanga, Jeffreya Chena i ostatka tima, kao i time što je instrument odlično funkcionisao od prvog ljeta. S visine od približno pet kilometara CASALS razlikuje pojedinačne grane drveća i sitne promjene nadmorske visine terena, zahvaljujući horizontalnoj rezoluciji od 22 centimetra. Prema Yorksovim riječima, tim vidi vrlo fine detalje strukture vegetacije i promjena u topografiji površine.

Šta slijedi

Sljedeći let planiran je u okviru kampanje ASCENT (Airborne Surface, Cryosphere, Ecosystem, and Nearshore Topography) za ljeto 2027. godine. Prije nego što napravi prototip spreman za svemir, tim namjerava proširiti pojas koji instrument snima i dodati softver za obradu podataka na samom uređaju. Prelazak s uspješnog avionskog prototipa na punu svemirsku misiju ostaje izazov, ali u NASA-i poručuju da je tim spreman za taj zadatak.

Yorks je pohvalio tim koji, kako kaže, odlično drži zajedno i prati plan i rokove. Dodao je da su dobili sredstva za optimizaciju i poboljšanje performansi instrumenta, ali i da već traže načine kako da tehnologije korištene u avionskoj verziji dodatno razviju i pripreme za buduću svemirsku verziju.

Ako projekat uspije, CASALS bi mogao postati prvi svemirski lidar sposoban da Zemljine šume i reljef kartira kao neprekidne trodimenzionalne pojaseve umjesto izolovanih profila, što bi naučnicima dalo znatno potpuniju sliku planete koja se mijenja.

Projekat podržavaju NASA-in program Decadal Survey Incubation (DSI), NASA-in Instrument Incubation Program (IIP), Centar za svemirske letove Goddard, Univerzitet Kalifornije u Santa Barbari i Virginia Tech (Virginia Polytechnic Institute and State University).