Technologie vyvinutá na Goddardově středisku využívající efekt zvaný kvantové tunelování k vytvoření výkonného terahertzového laseru by mohla usnadnit hledání vody na Měsíci a zaplnit mezeru v současných technologiích. Nalezení vody a dalších zdrojů bude hrát důležitou roli při budoucích snahách NASA o průzkum Měsíce, ale i dalších kosmických těles. Předešlé experimenty nejprve naznačovaly a později i potvrdily přítomnost vody na Měsíci. Většina technologií však nedokáže rozlišit vodu od volných vodíkových iontů a hydroxylů, protože širokopásmové detektory neumí odlišit jednotlivé těkavé látky.

Berhanu Bulcha z Goddardova střediska si uvědomil, že přístroj označovaný jako heterodynní spektrometr by se mohl zaměřit na konkrétní frekvenci, aby definitivně identifikoval a lokalizoval zdroje vody na Měsíci. K tomu je ale zapotřebí stabilní a výkonný terahertzový laser, jehož prototyp byl proto vyvinut ve spolupráci  s firmou Longwave Photonics. Celou spolupráci zastřešil program NASA SBIR (Small Business Innovation Research) pro podporu malých firem, které se věnují inovativnímu výzkumu.

„Tenhle laser nám umožní otevřít nové okno ke studiu tohoto frekvenčního spektra,“ říká Bulcha a dodává: „Jiné mise našly na Měsíci vodík, ale to může indikovat jak hydroxyl, tak vodu. Pokud to je voda, tak odkud pochází? Je původní z doby vzniku Měsíce nebo dorazila později při nárazech komet? Kolik je tam té vody? Potřebujeme znát odpovědi na tyto otázky, protože voda je kriticky důležitá pro přežití a navíc se z ní dá udělat palivo pro další průzkum.“ Jak už název naznačuje, spektrometry detekují spektra, tedy vlnové délky záření, aby odhalily chemické složení hmoty, které se světlo dotklo. Většina spektrometrů pracuje na širších rozsazích spektra. Heterodynní přístroje se však specializují na konkrétní frekvence jako jsou infračervené či terahertzové. Látky obsahující vodík (jako třeba voda) vyzařují fotony právě v terahertzovém frekvenčním pásmu od 2 do 10 bilionů cyklů za sekundu, tedy mezi infračervenou a mikrovlnnou částí spektra.

Heterodynnní spektrometry můžeme s trochou fantazie přirovnat k mikroskopům, které sledují drobné změny v pásmu jako je to terahertzové. Kombinují přitom svůj lokální laser s přicházejícím zářením. Měření rozdílů mezi laserovým zdrojem a kombinovanou vlnovou délkou poskytuje přesná měření těchto úzkých pásů spektra. Tradiční lasery generují světlo vybuzením elektronu v elektronovém obalu atomu, který pak při návratu na původní klidnou úroveň vytvoří jeden foton. Různé atomy vytváří různé frekvence záření podle fixního množství energie, které je potřeba k vybuzení jednoho elektronu. Lasery ovšem mají problémy s konkrétní částí spektra mezi infračerveným a mikrovlnným zářením, kterému se říká terahertzová mezera. „Problém s existující laserovou technologií je ten, že žádný materiál nemá vhodné vlastnosti k vytvoření terahertzových vln,“ vysvětluje Bulcha.

Elektromagnetické oscilátory podobné těm, které generují rádiové či mikrovlnné frekvence, vytváří nízkoenergetické terahertzové pulsy tím, že využívají sérii zesilovačů a frekvenčních násobičů, které posouvají signál do terahertzové části. Takový postup však spotřebovává hodně elektrické energie, navíc materiál, který se používá k zesílení a násobení frekvence pulsu, má jen omezenou účinnost. To znamená, že jak se blíží k terahertzovým frekvencím, ztrácí energii. Na druhé straně terahertzové mezery stojí optické lasery, které pumpují energii do plynu, ve kterém vznikají fotony. Ovšem výkonné lasery s terahertzovými frekvencemi jsou velké, energeticky náročné a nehodí se tedy ke kosmickým aplikacím, kde jsou prostor a elektrická energie dost omezené – zvláště pak to platí v případě aplikací do malých družic či kapesních přístrojů. Energie pulsů optických laserů navíc u terahertzového pásma klesá.

Aby zaplnili tuto mezeru, rozhodl se Berhanu Bulcha se svým týmem vyvinout kvantové kaskádové lasery, které vytváří fotony při každém přechodu elektronu mezi dvěma stavy. Využívá přitom jedinečných kvantových procesů, které nastávají v materiálových vrstvách silných pouze pár atomů. S pomocí těchto materiálů laser vyzařuje fotony o specifické frekvenci, která je určena tloušťkou střídajících se vrstev polovodičů – nespoléhá se tak na chemické prvky v materiálu, jako je tomu u tradičních (výše popsaných) laserů. V kvantové fyzice zvyšují tenké vrstvy šanci na to, že foton může tunelovým efektem projít skrz další vrstvu, namísto toho, že by se odrazil od stěny. Jakmile k tomu dojde, vybudí další fotony. Když použili generující materiál o 80 – 100 vrstvách, které jsou dohromady jen 10 – 15 mikrometrů silné, dokázali experti vytvořit kaskádu fotonů s terahertzovými energiemi.

Tato kaskáda potřebuje k vytvoření stabilního a výkonného záření menší elektrické napětí. Jedinou nevýhodou je, že se svazek záření šíří pod velkým úhlem, takže dochází k rozptylu už na velmi krátkých vzdálenostech. S využitím inovativních technologií vyvinutých díky financování interního výzkumu a vývoje na Goddardově středisku mohli Berhanu Bulcha a jeho tým integrovat laser do vlnovodu s tenkou optickou anténou, která zúžila produkovaný svazek. Integrovaná sestava laseru a vlnovodu snižuje zmíněný rozptyl o 50 % a to vše při velikosti menší, než má běžná mince. Na odborníky teď čekají další úkoly – třeba připravit laser připravený k letu na Měsíc v rámci programu Artemis. Malé rozměry i odběr energie umožňují integrovat tento přístroj i do 1U CubeSatu, do kterého by se vešel i hardware spektrometru, procesor a zdroj energie. Laser by mohl najít uplatnění i v kapesních zařízeních pro průzkum Měsíce a jednou třeba i Marsu.

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://wp.technologyreview.com/wp-content/uploads/2020/10/Water_under_the_surface_of_the_Moon.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/berhanu_0.jpg
https://www.researchgate.net/…/Terahertz-gap-and-dielectric-response-of-materials-in-the-frequency-range-in-THz.png
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/laserquarter_0.jpg