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2022-09-09El instrumento Quantum Dot del ingeniero de la NASA permite el concepto de nave espacial como sensor

NASA |En la búsqueda de agua y recursos más allá de la Tierra por parte de la NASA, una nueva tecnología podría cubrir la “piel” de un satélite, convirtiendo toda su superficie en un sensor que mida las sustancias químicas presentes en planetas distantes.

Resolver los misterios de nuestro planeta natal, el sistema solar y más allá es una prioridad clave para la NASA, y el nuevo sensor podría ser una herramienta poderosa en la investigación. Mahmooda Sultana, científico de instrumentos en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, desarrolló el espectrómetro de puntos cuánticos para ayudar.

Los puntos cuánticos son un tipo de nanocristal semiconductor que absorbe y reemite diferentes longitudes de onda de luz según su tamaño, forma y composición química. Sultana obtiene sus puntos, que varían de 2 a 10 nanómetros o menos de 50 átomos de espesor, del laboratorio del profesor de química Moungi Bawendi, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts con sede en Cambridge.

Luego los usa para descomponer la luz de un planeta u otro objetivo en porciones del espectro, creando una especie de huella digital que revela qué elementos o compuestos ha tocado esa luz.

“Básicamente, estamos convirtiendo todo el problema óptico en un problema matemático”, dijo Sultana. “Los puntos se pueden identificar en el laboratorio para registrar la luz de una longitud de onda particular, una fracción de la huella química. Los detectores al otro lado de los puntos recolectan las fracciones, luego los datos se entregan a las computadoras en el suelo para volver a ensamblar la huella dactilar completa”.

"La matemática es compleja", agregó, "pero usando el aprendizaje automático, podemos obtener una precisión asombrosa, incluso en curvas espectrales más complejas".

Un espectrómetro típico puede ser una pieza de equipo relativamente voluminosa, que ocupa un valioso espacio a bordo de un satélite. Lo que distingue al espectrómetro de puntos cuánticos de Sultana es literalmente un pequeño milagro de la química moderna.


un gráfico de datos superpuesto en un planeta nebuloso con textoLos datos de los espectrómetros se muestran como un espectro, como en esta imagen que captura la firma del vapor de agua, las nubes y la neblina del exoplaneta WASP-96 b. Viniendo de un gigante gaseoso hinchado que orbita una estrella a 1150 años luz de distancia, la línea azul muestra picos donde los colores específicos (longitudes de onda) de luz son brillantes y valles donde los colores son tenues o están ausentes. Cada elemento o compuesto químico contribuye con su curva espectral única que sirve como su "firma" dentro del panorama general. Créditos: NASA, ESA, CSA y STScI


El instrumento de Sultana, que permite nuevas aplicaciones en satélites pequeños y velas solares, tiene potencial para estudiar la composición de la superficie de la Tierra, el color del océano, la vegetación y la química atmosférica, además de proporcionar información sobre las interacciones de las auroras. Como ingeniera interesada en la ciencia planetaria, Sultana dijo que su espectrómetro de puntos cuánticos podría identificar agua y otras sustancias químicas en el suelo lunar y caracterizar la superficie y los elementos atmosféricos de otros planetas.

ScienceCraft: una nueva visión para la exploración

La versatilidad de la tecnología de puntos cuánticos podría permitir una misión de bajo costo a un planeta del sistema solar exterior.

Su concepto, ScienceCraft for Outer Planet Exploration, o SCOPE, aprovecha la versatilidad y la baja masa del sensor. Una vela solar, impresa con capas separadas para la electrónica de lectura, la matriz de detectores, el espectrómetro de puntos cuánticos y la matriz de microlentes, serviría como nave espacial, sistema de propulsión e instrumento científico en uno.

Sultana llama a esta visión para futuros buques de exploración ScienceCraft.

Ella está trabajando para desarrollar este concepto de misión a través de un premio del programa de Conceptos Avanzados Innovadores (NIAC) de la Fase I de la NASA otorgado este abril. Su equipo ya ha automatizado el proceso de impresión de puntos. El concepto de vela está siendo desarrollado por el coinvestigador Artur Davoyan, profesor de la UCLA.

“Este es un concepto que cambia el juego”, dijo. “Básicamente, estamos abordando tres de las barreras clave para la exploración del sistema solar exterior: el alto costo, el largo tiempo de viaje y una ventana estrecha para lanzar una misión que pueda encontrarse con estos planetas distantes”.


una luna pálida orbitada por varias embarcaciones de vela rectangulares que recopilan datos de luz, representada por barras de colorEn esta ilustración, varias velas solares ScienceCraft recopilan espectros de luz de la luna Tritón de Neptuno. La imagen del banner en la parte superior de la página muestra un enjambre similar alrededor de Neptuno. Créditos: Mahmooda Sultana.


Impulsada por la suave presión de la luz solar a través de un área grande, la vela ganaría velocidad al orbitar cerca del Sol, impulsándolo hacia el sistema solar exterior.

Una vez allí, la visión de Sultana podría lograr objetivos científicos críticos, dijo Conor Nixon, científico planetario de Goddard.

“Actualmente existe una brecha para explorar el sistema Neptuno-Tritón”, dijo. “¿Podemos hacer algo de ciencia sobre Neptuno en una misión de sobrevuelo rápido y bajo costo? Es el tipo de sistema planetario en el que SCOPE podría encontrar un nicho en la exploración”. 

En 1989, las imágenes de cerca de Tritón tomadas por la Voyager 2 revelaron por primera vez su superficie helada, marcada por penachos que insinuaban una geología activa y un océano oculto debajo del hielo. Investigar cómo ha cambiado Tritón con el tiempo ayudaría a los científicos a comprender mejor cómo evolucionan y funcionan los cuerpos del sistema solar.

“A medida que las personas de todo el mundo desarrollan la capacidad de imprimir productos electrónicos o producir diferentes materiales y estructuras, se pueden imprimir más instrumentos".

NASA
Autor
NASA

La Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio, más conocida como NASA (por sus siglas en inglés, National Aeronautics and Space Administration), es la agencia del gobierno estadounidense responsable del programa espacial civil, así como de la investigación aeronáutica y aeroespacial.


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