NASA se dlouhodobě snaží pátrat po stopách vody a dalších užitečných zdrojů mimo Zemi. Nyní uvažuje o tom, že by v budoucnu v rámci těchto snah pokročila na novou úroveň a pokryla celou sondu materiálem, který by proměnil její povrch na senzor schopný analyzovat chemické látky přítomné na vzdálených planetách. Řešení tajemství naší Země, celé Sluneční soustavy i vzdálených končin vesmíru patří mezi klíčové priority NASA a nový typ senzoru by mohl být v rámci tohoto výzkumu účinným pomocníkem. Mahmooda Sultana, vědkyně z Goddardova střediska v Marylandském Greenbeltu totiž vyvinula takzvaný Quantum Dot Spectrometer, což můžeme přeložit jako spektrometr na principu kvantové tečky.

Takzvané quantum dots (česky kvantové tečky) jsou typem polovodičového nanokrystalu, který pohlcuje a vyzařuje záření o různých vlnových délkách podle jejich velikosti, tvaru a chemického složení. Mahmooda Sultana získala tečky, které mají velikost od 2 do 10 nanometrů a jejich tloušťka dosahuje méně méně 50 atomů, z laboratoře profesora Moungi Bawendiho z Massachusetts Institute of Technology.

Kvantové tečky by se měly využít k rozložení světla z planety (či jiného pozorovaného cíle) do spekter, což je něco jako charakteristický otisk prstu. Každý prvek i sloučenina mají své jedinečné spektrum a jejich analýza tak může odhalit, jakých prvků či sloučenin se světlo dotklo. „Dá se říct, že celý optický problém převádíme na problém matematický,“ vysvětluje Mahmooda Sultana a pokračuje: „V laboratoři můžeme určit, že tečky registrují světlo o určité vlnové délce, které je jen malou částí celého chemického otisku prstu. Detektory na druhé straně těchto teček sbírají tyto zlomky a poté se data předají počítačům na Zemi, které z nich sestaví kompletní otisk prstu. Použitá matematika je komplexní, ovšem s využitím strojového učení jsme schopni dosáhnout úžasné přesnosti a to i u komplexních spektrálních křivek.“

Typický spektrometr bývá vcelku rozměrné zařízení, které na palubě družice zabere mnoho cenného prostoru. Spektrometr, za kterým stojí Mahmooda Sultana se však od ostatních typů výrazně liší tím, že jde o doslova malý zázrak moderní chemie. V kosmonautice se stále častěji uplatňují malé CubeSaty, ale i sluneční plachetnice. Quantum Dot Spectrometer by tak měl potenciál sledovat Zemi, kde by mapoval složení látek na povrchu, barvu oceánů, vegetaci, ale i složení látek v atmosféře, nebo sledoval interakci polárních září s okolím. Mahmooda Sultana se však spíše zajímá o planetární výzkum. Připomíná proto, že by její spektrometr dokázal detekovat vodu i další látky v lunárním regolitu, ale i charakterizovat povrchové i atmosférické složení na jiných planetách.

Všestrannost technologie využívající kvantové tečky by mohla otevřít dveře k nízkonákladovým misím do vnějších částí Sluneční soustavy. Mahmooda Sultana už vypracovala koncept mise s označením SCOPE (ScienceCraft for Outer Planet Exploration – vědecká sonda pro průzkum vnějších planet), který staví na všestrannosti senzoru a jeho nízké hmotnosti. Sluneční plachetnice potištěná vyčítací elektronikou, polem detektorů, Quantum Dot spektrometrem a polem mikročoček by mohla fungovat jako sonda, pohonný systém i vědecký přístroj – vše v jednom. Vědkyně tuto vizi průzkumných sond budoucnosti nazývá ScienceCraft.

Nyní Mahmooda Sultana pracuje na vypracování podrobnějšího konceptu celé mise v rámci první fáze programu NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts), ve kterém agentura NASA podporuje vývoj pokročilých konceptů. Její návrh byl v programu NIAC oceněn letos v dubnu. Tým kolem vědkyně už dosáhl velkých úspěchů. Podařilo se jim třeba automatizovat proces tisku kvantových teček. Koncept plachetnice rozvíjí spoluvýzkumník Artur Davoyan, profesor na UCLA. „Je to koncept, který mění pravidla hry,“ říká Mahmooda Sultana a dodává: „V podstatě řešíme tři klíčové překážky bránící průzkumu vnější Sluneční soustavy – vysoké náklady, dlouhá doba cesty a úzké startovní okno pro start mise, která se musí setkat se těmito vzdálenými planetami.“

Sluneční plachetnice by byla v blízkosti Slunce urychlena jemným, ale trvale působícím tlakem slunečního záření, které by se opíralo na její velkou plochu. Nabrala by tak rychlost a mohl vyrazit do vzdálených končin Sluneční soustavy. Poté, co by tam tato zatím neschválená sonda dorazila, mohla by plnit kriticky důležité vědecké úkoly. „Zatím máme velkou mezeru ve znalostech systému Neptun – Triton,“ přiznává planetolog Conor Nixon z Goddardova střediska a dodává: „Dokážeme udělat průzkum Neptunu pomocí rychlé průletové nízkonákladové mise? Tohle je přesně ta mezírka v planetárním průzkumu, kterou by SCOPE mohl zaplnit.“ V roce 1989 pořídila sonda Voyager 2 blízké snímky měsíce Tritonu, které odhalily jeho ledový povrch posetý stopami výtrysků, což naznačuje jeho aktivní geologii a pod povrchem skrytý oceán. Průzkum, jak se Triton změnil v průběhu času, by vědcům pomohlo lépe porozumět tomu, jak se tělesa Sluneční soustavy vyvíjí a fungují. „S tím, jak lidé po celém světě rozvíjí nové technické možnosti, jako je tištěná elektronika, nebo vyvíjí nové materiály a struktury, bude moci být stále více přístrojů jako je Quantum Dot Spectrometer natištěno přímo na sluneční plachtu k vytvoření dalších možností jako je ScienceCraft,“ dodala Mahmooda Sultana.

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/inkspec_neptune_lores_0.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/mahmoodacrop.jpg
https://www.nasa.gov/…/2022_niac_ph_i_ii_selections_web_graphic_banner_final_v2_0.png
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/sc_triton_sultana_0.png