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2022-08-25Ingeniero de la NASA desarrolla un pequeño láser de alta potencia para encontrar agua en la Luna

NASA |Encontrar agua en la Luna podría ser más fácil con una tecnología de Goddard que usa un efecto llamado túnel cuántico para generar un láser de terahercios de alta potencia, llenando un vacío en la tecnología láser existente.

Localizar agua y otros recursos es una prioridad de la NASA crucial para explorar el satélite natural de la Tierra y otros objetos en el sistema solar y más allá. Experimentos anteriores infirieron y luego confirmaron la existencia de pequeñas cantidades de agua en la Luna. Sin embargo, la mayoría de las tecnologías no distinguen entre agua, iones de hidrógeno libres e hidroxilo, ya que los detectores de banda ancha utilizados no pueden distinguir entre los diferentes volátiles.

El ingeniero de Goddard, el Dr. Berhanu Bulcha, dijo que un tipo de instrumento llamado espectrómetro heterodino podría acercarse a frecuencias particulares para identificar y localizar definitivamente las fuentes de agua en la Luna. Necesitaría un láser de terahercios estable y de alta potencia, que fue creado en colaboración con Longwave Photonics a través del programa Small Business Innovation Research (SBIR) de la NASA.

“Este láser nos permite abrir una nueva ventana para estudiar este espectro de frecuencias”, dijo. “Otras misiones encontraron hidratación en la Luna, pero eso podría indicar hidroxilo o agua. Si es agua, ¿de dónde vino? ¿Es originario de la formación de la Luna, o llegó más tarde por impactos de cometas? ¿Cuánta agua hay ahí? Necesitamos responder a estas preguntas porque el agua es fundamental para la supervivencia y se puede utilizar para producir combustible para futuras exploraciones”.

Como su nombre lo indica, los espectrómetros detectan espectros o longitudes de onda de luz para revelar las propiedades químicas de la materia que ha tocado la luz. La mayoría de los espectrómetros tienden a operar en amplias secciones del espectro. Los instrumentos heterodinos marcan frecuencias de luz muy específicas, como infrarrojos o terahercios. Los compuestos que contienen hidrógeno, como el agua, emiten fotones en el rango de frecuencia de terahercios (2 billones a 10 billones de ciclos por segundo) entre microondas e infrarrojos. 

Como un microscopio para diferencias sutiles dentro de un ancho de banda como terahercios, los espectrómetros heterodinos combinan una fuente de láser local con luz entrante. La medición de la diferencia entre la fuente láser y la longitud de onda combinada proporciona lecturas precisas entre los subanchos de banda del espectro.

Los láseres tradicionales generan luz al excitar un electrón dentro de la capa externa de un átomo, que luego emite un solo fotón a medida que hace la transición o regresa a su nivel de energía en reposo. Diferentes átomos producen diferentes frecuencias de luz en función de la cantidad fija de energía que se necesita para excitar un electrón. Sin embargo, los láseres se quedan cortos en una porción particular del espectro entre el infrarrojo y las microondas conocida como brecha de terahercios.

“El problema con la tecnología láser existente”, dijo el Dr. Bulcha, “es que ningún material tiene las propiedades adecuadas para producir una onda de terahercios”.

Los osciladores electromagnéticos, como los que generan frecuencias de radio o microondas, producen pulsos de terahercios de baja potencia mediante el uso de una serie de amplificadores y multiplicadores de frecuencia para extender la señal al rango de los terahercios. Sin embargo, este proceso consume mucho voltaje y los materiales utilizados para amplificar y multiplicar el pulso tienen una eficiencia limitada. Esto significa que pierden potencia a medida que se acercan a las frecuencias de terahercios.

Desde el otro lado de la brecha de terahercios, los láseres ópticos bombean energía a un gas para generar fotones. Sin embargo, los láseres de banda de terahercios de alta potencia son grandes, consumen mucha energía y no son adecuados para fines de exploración espacial donde la masa y la potencia son limitadas, en particular las aplicaciones portátiles o de satélites pequeños. La potencia del pulso también cae a medida que los láseres ópticos avanzan hacia los anchos de banda de terahercios.

Para llenar ese vacío, el equipo del Dr. Bulcha está desarrollando láseres de cascada cuántica que producen fotones de cada evento de transición de electrones aprovechando una física única a escala cuántica de materiales en capas de solo unos pocos átomos de espesor.

En estos materiales, un láser emite fotones en una frecuencia específica determinada por el grosor de las capas alternas de semiconductores en lugar de los elementos del material. En la física cuántica, las capas delgadas aumentan la posibilidad de que un fotón pueda pasar a la siguiente capa en lugar de rebotar en la barrera. Una vez allí, excita fotones adicionales. Usando un material generador con 80 a 100 capas, con un espesor total de menos de 10 a 15 micrones, la fuente del equipo crea una cascada de fotones de energía de terahercios.

Esta cascada consume menos voltaje para generar una luz estable y de alta potencia. Una desventaja de esta tecnología es que su haz se extiende en un gran ángulo, disipándose rápidamente en distancias cortas. Usando tecnología innovadora apoyada por la financiación de Investigación y Desarrollo Interno (IRAD) de Goddard, el Dr. Bulcha y su equipo integraron el láser en una guía de ondas con una antena óptica delgada para ajustar el haz. La unidad integrada de guía de ondas y láser reduce esta disipación en un 50 % en un paquete de menos de una cuarta parte.

Espera continuar el trabajo para hacer un láser listo para volar para el programa Artemis de la NASA.

El bajo tamaño y el bajo consumo de energía del láser le permiten caber en un CubeSat de 1U, aproximadamente del tamaño de una tetera, junto con el hardware, el procesador y la fuente de alimentación del espectrómetro. También podría alimentar un dispositivo portátil para que lo usen futuros exploradores en la Luna, Marte y más allá.

Por Karl B. Hille

Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland.

NASA
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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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