Encontrar recursos naturais, como água, fora da Terra é uma tarefa de extrema importância para a Administração Nacional da Aeronáutica e Espaço dos Estados Unidos (NASA). E foi com esse objetivo que o engenheiro Berhanu Bulcha desenvolveu um laser capaz de ajudar a identificar e localizar fontes de água na Lua.
De acordo com a publicação da NASA, o cientista do Centro de Voos Espaciais está desenvolvendo um instrumento de espectrômetro heteródino, junto à Longwave Photonics, no programa Small Business Innovation Research (SBIR) da NASA.
O instrumento é capaz de detectar comprimentos de onda de luz para revelar sua composição química e, como é heteródino, foi desenvolvido para buscar frequências muito específicas. Por exemplo, os objetos de estudo que possuem hidrogênio, como a água, emitem fótons na faixa de frequência de terahertz.
De acordo com o cientista, atualmente, nenhuma tecnologia de laser é capaz de produzir uma onda de terahertz, porque eles costumam perder a energia à medida que se aproximam dessa frequência. Considerando isso, o engenheiro e sua equipe estão desenvolvendo lasers de cascata quântica que produzem energia de 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.
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.
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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.
