Encontrar água na lua pode ser mais fácil com uma tecnologia Goddard que usa um efeito chamado tunelamento quântico para gerar um laser terahertz de alta potência, preenchendo uma lacuna na tecnologia laser existente.
Localizar água e outros recursos é uma prioridade da NASA crucial para explorar o satélite natural da Terra e outros objetos no sistema solar e além. Experimentos anteriores inferiram e confirmaram a existência de pequenas quantidades de água na lua. No entanto, a maioria das tecnologias não distingue entre água, íons de hidrogênio livres e hidroxila, pois os detectores de banda larga usados ​​não podem distinguir entre os diferentes voláteis.

O engenheiro de Goddard, Dr. Berhanu Bulcha, disse que um tipo de instrumento chamado espectrômetro heteródino pode ampliar frequências específicas para identificar e localizar definitivamente fontes de água na lua. Ele precisaria de um laser terahertz estável e de alta potência, que foi prototipado em colaboração com a Longwave Photonics por meio do programa Small Business Innovation Research (SBIR) da NASA.

"Este laser nos permite abrir uma nova janela para estudar esse espectro de frequência", disse ele. “Outras missões encontraram hidratação na lua, mas isso pode indicar hidroxila ou água. Precisamos responder a essas perguntas porque a água é fundamental para a sobrevivência e pode ser usada para produzir combustível para futuras explorações."

Como o nome indica, os espectrômetros detectam espectros ou comprimentos de onda de luz para revelar as propriedades químicas da matéria que a luz tocou. A maioria dos espectrômetros tende a operar em amplas seções do espectro. Instrumentos heterodinos discam para frequências de luz muito específicas, como infravermelho ou terahertz. Compostos contendo hidrogênio, como água, emitem fótons na faixa de frequência terahertz – 2 trilhões a 10 trilhões de ciclos por segundo – entre micro-ondas e infravermelho.

Como um microscópio para diferenças sutis dentro de uma largura de banda como terahertz, os espectrômetros heteródinos combinam uma fonte de laser local com a luz recebida. Medir a diferença entre a fonte de laser e o comprimento de onda combinado fornece leituras precisas entre as sub-larguras de banda do espectro.

Os lasers tradicionais geram luz excitando um elétron dentro da camada externa de um átomo, que então emite um único fóton à medida que faz a transição ou retorna ao seu nível de energia de repouso. Diferentes átomos produzem diferentes frequências de luz com base na quantidade fixa de energia necessária para excitar um elétron. No entanto, os lasers ficam aquém em uma porção específica do espectro entre o infravermelho e as micro-ondas, conhecido como gap terahertz.

"O problema com a tecnologia laser existente", disse o Dr. Bulcha, "é que nenhum material tem as propriedades certas para produzir uma onda terahertz".

Os osciladores eletromagnéticos como aqueles que geram frequências de rádio ou microondas produzem pulsos de terahertz de baixa potência usando uma série de amplificadores e multiplicadores de frequência para estender o sinal na faixa de terahertz. No entanto, esse processo consome muita tensão, e os materiais usados ​​para amplificar e multiplicar o pulso têm eficiência limitada. Isso significa que eles perdem energia à medida que se aproximam das frequências terahertz.

Do outro lado da lacuna de terahertz, lasers ópticos bombeiam energia em um gás para gerar fótons. No entanto, os lasers de banda terahertz de alta potência são grandes, consomem muita energia e não são adequados para fins de exploração espacial onde a massa e a potência são limitadas, particularmente aplicações portáteis ou de satélites pequenos. A potência do pulso também cai à medida que os lasers ópticos avançam para as larguras de banda de terahertz.

Para preencher essa lacuna, a equipe do Dr. Bulcha está desenvolvendo lasers em cascata quântica que produzem fótons de cada evento de transição de elétrons, aproveitando uma física única de escala quântica de materiais com apenas alguns átomos de espessura.

Nesses materiais, um laser emite fótons em uma frequência específica determinada pela espessura de camadas alternadas de semicondutores, em vez dos elementos do material. Na física quântica, as camadas finas aumentam a chance de um fóton poder atravessar para a próxima camada em vez de ricochetear na barreira. Uma vez lá, excita fótons adicionais. Usando um material gerador com 80 a 100 camadas, totalizando menos de 10 a 15 mícrons de espessura, a fonte da equipe cria uma cascata de fótons de energia terahertz.

Esta cascata consome menos tensão para gerar uma luz estável e de alta potência. Uma desvantagem dessa tecnologia é que seu feixe se espalha em um grande ângulo, dissipando-se rapidamente em curtas distâncias. Usando tecnologia inovadora apoiada pelo financiamento de Pesquisa e Desenvolvimento Interno de Goddard (IRAD), Dr. Bulcha e sua equipe integraram o laser em um guia de ondas com uma antena óptica fina para apertar o feixe. A unidade integrada de laser e guia de onda reduz essa dissipação em 50% em um pacote menor que um quarto.

Ele espera continuar o trabalho para fazer um laser pronto para voar para o programa Artemis da NASA.

O baixo tamanho e o consumo de energia do laser permitem que ele caiba em um CubeSat de 1U, aproximadamente do tamanho de um bule, junto com o hardware do espectrômetro, o processador e a fonte de alimentação. Também poderia alimentar um dispositivo portátil para uso por futuros exploradores na Lua, Marte e além. + Explorar mais

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