Da órbita, os instrumentos a laser espaciais de hoje medem as florestas e o terreno da Terra, uma faixa estreita de cada vez. Entre essas faixas há enormes lacunas, que incluem milhões de acres de áreas que os cientistas nunca medem diretamente. O instrumento CASALS da NASA combinará aprendizado de máquina com um instrumento lidar ultracompacto para “varrer” adaptativamente grandes áreas da superfície terrestre. Essa nova capacidade de sensoriamento remoto espacial permite que o CASALS crie representações topográficas verdadeiramente tridimensionais (3D).
Uma equipe de pesquisadores do Goddard Space Flight Center (GSFC) da NASA desenvolveu um novo instrumento projetado para eliminar pontos cegos entre as faixas de dados lidar da superfície terrestre. Desenvolvido com o apoio do Earth Science Technology Office (ESTO) da NASA, o Concurrent Artificially-intelligent Spectrometry Lidar System (CASALS) pode ajudar pesquisadores a mapear as características da superfície terrestre com detalhes sem precedentes. Em vez de direcionar mecanicamente um laser com espelhos móveis, o CASALS direciona a luz usando o próprio comprimento de onda, gerando uma faixa contínua em 3D do terreno abaixo.
John Yorks, cientista pesquisador de física do GSFC e investigador principal do CASALS, explicou que o instrumento conta com um novo sistema transmissor e de grade óptica, que manipula pulsos de laser sem espelhos motorizados pesados e propensos a falhas.
Em vez disso, o CASALS usa um laser “semente” sintonizável e de pulsos rápidos, centrado em 1040 nanômetros, que percorre rapidamente 256 comprimentos de onda distintos enquanto emite pulsos através de um componente óptico com um padrão microscópico de sulcos, chamado grade de transmissão.
Nesse ponto, entra em ação a física da difração. Como a luz se desvia em ângulos ligeiramente diferentes dependendo do comprimento de onda exato, a grade “direciona” naturalmente cada um dos 256 pulsos para uma posição distinta ao longo da trajetória de voo.
Essa abordagem não mecânica produz uma faixa contínua em 3D do terreno. Além de eliminar as grandes lacunas não mapeadas que ficam entre as trajetórias isoladas dos lidars espaciais tradicionais, a remoção das peças móveis reduz drasticamente os requisitos de tamanho, peso e potência (SWaP) do instrumento. Isso aumenta sua confiabilidade no ambiente hostil do espaço.
Outra inovação importante do CASALS é seu conjunto de detectores. Esse componente apresenta uma eficiência quântica (QE) excepcionalmente alta, uma medida de quão bem um detector converte a luz recebida (fótons) em um sinal elétrico. O CASALS opera com QE de 80%. Isso significa que quase nenhuma luz que retorna ao sensor é desperdiçada.
Com uma QE tão alta, o CASALS consegue detectar sinais de retorno muito mais fracos, permitindo coletar medições úteis de superfícies mais escuras ou através de vegetação mais densa.
Essa tecnologia não se limita ao ambiente de laboratório. Em novembro de 2024, um protótipo aéreo do CASALS voou a bordo da aeronave B200 King Air da NASA. O instrumento produziu conjuntos de dados de qualidade científica já em sua primeira campanha, superando as expectativas da equipe.
“Estou muito impressionado com Guang Yang, Jeffrey Chen e todos os nossos engenheiros, e com o desempenho do CASALS. Funcionou muito bem desde o primeiro voo, o que é bastante impressionante”, disse Yorks.
Voando a uma altitude de cerca de cinco quilômetros, o CASALS consegue distinguir galhos individuais de árvores e mudanças sutis na elevação do terreno, graças à sua resolução horizontal de 22 centímetros.
“Conseguimos observar detalhes muito finos da estrutura da vegetação e mudanças na topografia da superfície”, disse Yorks.
A equipe pretende fazer outro voo com o CASALS como parte da campanha Airborne Surface, Cryosphere, Ecosystem, and Nearshore Topography (ASCENT), programada para o verão de 2027.
Mas ainda há trabalho a fazer para preparar a tecnologia para o espaço. A equipe planeja fazer várias melhorias no CASALS antes de criar um protótipo pronto para uso espacial. Em particular, pretende ampliar a faixa de observação do instrumento e adicionar um software de processamento de dados a bordo.
A transição de um protótipo aéreo bem-sucedido para uma missão espacial plenamente desenvolvida é um desafio, mas a equipe do CASALS está preparada para enfrentá-lo.
“A equipe realmente fez um ótimo trabalho ao se manter unida, concentrada nas tarefas e dentro do cronograma. Estamos recebendo financiamento para otimizar e melhorar o desempenho e também estamos buscando maneiras de aperfeiçoar as tecnologias usadas no instrumento aéreo e prepará-las para uma versão espacial no futuro”, disse Yorks.
Se for bem-sucedido, o CASALS poderá se tornar o primeiro lidar espacial capaz de mapear as florestas e o terreno da Terra em faixas tridimensionais contínuas, em vez de perfis isolados, oferecendo aos cientistas uma visão muito mais completa do nosso planeta em transformação.
Para mais detalhes, consulte a página deste projeto no
NASA TechPort
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Líder do projeto: John Yorks, Goddard Space Flight Center da NASA
Organizações patrocinadoras: programa Decadal Survey Incubation (DSI) da NASA; Instrument Incubation Program (IIP) da NASA; Goddard Space Flight Center da NASA; University of California, Santa Barbara; Virginia Polytechnic Institute and State University