Trouver de l'eau sur la lune pourrait être plus facile avec une technologie Goddard qui utilise un effet appelé effet tunnel quantique pour générer un laser térahertz de haute puissance, comblant ainsi une lacune dans la technologie laser existante.

La localisation de l'eau et d'autres ressources est une priorité cruciale de la NASA pour explorer le satellite naturel de la Terre et d'autres objets dans le système solaire et au-delà. Des expériences précédentes ont déduit, puis confirmé l'existence de petites quantités d'eau à travers la lune. Cependant, la plupart des technologies ne font pas la distinction entre l'eau, les ions hydrogène libres et l'hydroxyle, car les détecteurs à large bande utilisés ne peuvent pas faire la distinction entre les différents volatils.

L'ingénieur de Goddard, le Dr Berhanu Bulcha, a déclaré qu'un type d'instrument appelé spectromètre hétérodyne pourrait zoomer sur des fréquences particulières pour identifier et localiser définitivement les sources d'eau sur la lune. Il aurait besoin d'un laser térahertz stable et puissant, qui a été prototypé en collaboration avec Longwave Photonics dans le cadre du programme Small Business Innovation Research (SBIR) de la NASA.

"Ce laser nous permet d'ouvrir une nouvelle fenêtre pour étudier ce spectre de fréquences", a-t-il déclaré. « D'autres missions ont trouvé de l'hydratation sur la lune, mais cela pourrait indiquer de l'hydroxyle ou de l'eau. Si c'est de l'eau, d'où vient-elle ? Est-elle indigène à la formation de la lune, ou est-elle arrivée plus tard par des impacts de comètes ? Nous devons répondre à ces questions car l'eau est essentielle à la survie et peut être utilisée pour fabriquer du carburant pour une exploration plus approfondie."

Comme leur nom l'indique, les spectromètres détectent les spectres ou les longueurs d'onde de la lumière afin de révéler les propriétés chimiques de la matière que la lumière a touchée. La plupart des spectromètres ont tendance à fonctionner sur de larges sections du spectre. Les instruments hétérodynes se connectent à des fréquences lumineuses très spécifiques telles que l'infrarouge ou le térahertz. Les composés contenant de l'hydrogène comme l'eau émettent des photons dans la gamme de fréquences térahertz - 2 billions à 10 billions de cycles par seconde - entre les micro-ondes et l'infrarouge.

Comme un microscope pour les différences subtiles dans une bande passante comme le térahertz, les spectromètres hétérodynes combinent une source laser locale avec la lumière entrante. La mesure de la différence entre la source laser et la longueur d'onde combinée fournit des lectures précises entre les sous-bandes passantes du spectre.

Les lasers traditionnels génèrent de la lumière en excitant un électron dans la coque externe d'un atome, qui émet ensuite un seul photon lors de sa transition ou revient à son niveau d'énergie de repos. Différents atomes produisent différentes fréquences de lumière en fonction de la quantité fixe d'énergie nécessaire pour exciter un électron. Cependant, les lasers sont en deçà d'une partie particulière du spectre entre l'infrarouge et les micro-ondes, connue sous le nom d'écart térahertz.

"Le problème avec la technologie laser existante", a déclaré le Dr Bulcha, "est qu'aucun matériau n'a les bonnes propriétés pour produire une onde térahertz."

Les oscillateurs électromagnétiques comme ceux qui génèrent des fréquences radio ou micro-ondes produisent des impulsions térahertz de faible puissance en utilisant une série d'amplificateurs et de multiplicateurs de fréquence pour étendre le signal dans la gamme térahertz. Cependant, ce processus consomme beaucoup de tension, et les matériaux utilisés pour amplifier et multiplier l'impulsion ont une efficacité limitée. Cela signifie qu'ils perdent de la puissance à l'approche des fréquences térahertz.

De l'autre côté de l'espace térahertz, les lasers optiques pompent de l'énergie dans un gaz pour générer des photons. Cependant, les lasers à bande térahertz de grande puissance sont gros, gourmands en énergie et ne conviennent pas à des fins d'exploration spatiale où la masse et la puissance sont limitées, en particulier les applications portatives ou les petits satellites. La puissance de l'impulsion diminue également à mesure que les lasers optiques poussent vers les bandes passantes térahertz.

Pour combler cette lacune, l'équipe du Dr Bulcha développe des lasers à cascade quantique qui produisent des photons à partir de chaque événement de transition électronique en tirant parti d'une physique unique à l'échelle quantique de matériaux superposés de quelques atomes d'épaisseur.

Dans ces matériaux, un laser émet des photons à une fréquence spécifique déterminée par l'épaisseur des couches alternées de semi-conducteurs plutôt que par les éléments du matériau. En physique quantique, les couches minces augmentent les chances qu'un photon puisse ensuite traverser la couche suivante au lieu de rebondir sur la barrière. Une fois là, il excite des photons supplémentaires. À l'aide d'un matériau générateur de 80 à 100 couches, totalisant moins de 10 à 15 microns d'épaisseur, la source de l'équipe crée une cascade de photons d'énergie térahertz.

Cette cascade consomme moins de tension pour générer une lumière stable et de grande puissance. Un inconvénient de cette technologie est son faisceau étalé dans un grand angle, se dissipant rapidement sur de courtes distances. À l'aide d'une technologie innovante soutenue par le financement de la recherche et du développement internes (IRAD) de Goddard, le Dr Bulcha et son équipe ont intégré le laser sur un guide d'ondes avec une antenne optique mince pour resserrer le faisceau. L'unité laser et guide d'ondes intégrée réduit cette dissipation de 50 % dans un boîtier plus petit qu'un quart.

Il espère poursuivre les travaux pour fabriquer un laser prêt à voler pour le programme Artemis de la NASA.

La faible taille et la faible consommation d'énergie du laser lui permettent de tenir dans un CubeSat 1U, de la taille d'une théière, avec le matériel du spectromètre, le processeur et l'alimentation. Il pourrait également alimenter un appareil portable à l'usage des futurs explorateurs sur la lune, Mars et au-delà. + Explorer plus loin

Construire un avenir radieux pour les lasers