Satelita zmieni zdanie na orbicie. Zamiast budować nowego, wyślą mu komendę

Projektowanie instrumentu satelitarnego zaczyna się długo przed startem rakiety. Inżynierowie muszą ustalić, jakie długości fal będą obserwowane, jakie substancje mają być wykrywane, jak szerokie będzie pole widzenia i z jaką dokładnością urządzenie ma rozróżniać szczegóły.

Na tej podstawie powstaje układ soczewek, luster, filtrów i detektorów. Wszystko musi przejść testy wibracji, próżni, promieniowania oraz skrajnych zmian temperatury. Gdy satelita opuszcza Ziemię, jego optyka jest właściwie zamkniętym projektem. Można zmieniać ustawienia elektroniki i oprogramowania, ale szklanego filtra nie da się zastąpić aktualizacją przesłaną z centrum kontroli.

To poważne ograniczenie, ponieważ potrzeby misji mogą zmienić się już po starcie. Instrument przygotowany głównie do obserwowania pożarów może po kilku latach okazać się potrzebny do śledzenia wycieków gazu, emisji przemysłowych albo zupełnie nowych zjawisk, których projektanci wcześniej nie uwzględnili.

Zespół naukowców z MIT, KAIST i kilku innych ośrodków opracował układ, który ma przybliżyć optykę do świata programowalnej elektroniki. Zamiast wymieniać fizyczne elementy, operator mógłby zmienić sposób, w jaki chip przepuszcza i kształtuje promieniowanie.

Nie oznacza to, że jeden chip zastąpi cały teleskop. Nadal potrzebne będą detektory, obudowa, układ zasilania oraz część klasycznej optyki. Nowa technologia może jednak przejąć zadania wykonywane dziś przez filtry, modulatory i niektóre ruchome elementy.

Opracowane urządzenie jest przestrzennym modulatorem światła, określanym skrótem SLM. Taki element nie wykonuje zdjęcia samodzielnie. Znajduje się na drodze światła i decyduje, jaka jego część przejdzie dalej do właściwego detektora.

Najłatwiej porównać go do niezwykle precyzyjnej żaluzji. Zwykła żaluzja może zasłonić całe okno albo jego fragment. Programowalny modulator składa się natomiast z mikroskopijnych pól, które można niezależnie przełączać i ustawiać w różne wzory.

Prototyp ma układ 6 x 6 pikseli. Każdy z 36 elementów można osobno włączyć lub wyłączyć, zmieniając ilość przepuszczanego promieniowania podczerwonego. W eksperymencie naukowcy zaprogramowali piksele tak, aby utworzyły litery M, I oraz T.

Nie chodziło oczywiście o stworzenie miniaturowego wyświetlacza. Litery były prostym sposobem pokazania, że każdy obszar chipu reaguje niezależnie i może otrzymać własną komendę elektryczną.

Urządzenie pracowało ze światłem o długości fali 2,585 µm, należącym do średniej podczerwieni. Jest to zakres niewidoczny dla ludzkiego oka, ale niezwykle cenny dla czujników, ponieważ wiele cząsteczek pozostawia w nim charakterystyczny ślad.

Cząsteczki nie pochłaniają całego promieniowania w taki sam sposób. Metan, propan, dwutlenek węgla i wiele innych substancji szczególnie silnie reaguje na określone długości fal podczerwonych. Analiza tych brakujących fragmentów widma pozwala rozpoznać związek chemiczny bez pobierania próbki.

To dlatego instrumenty podczerwone wykorzystuje się do wykrywania wycieków z gazociągów, mierzenia składu atmosfery, obserwowania emisji przemysłowych oraz badania innych planet. Ten sam zakres może pokazać rozkład temperatury, ponieważ rozgrzane obiekty emitują promieniowanie podczerwone.

Programowalna optyka mogłaby wybierać cechy najbardziej przydatne w danej sytuacji. Satelita przelatujący nad instalacją przemysłową zostałby skonfigurowany pod kątem substancji, której wycieku szukają operatorzy. Podczas obserwacji pożaru ten sam instrument mógłby mocniej uwydatnić temperaturę i granice nagrzanego obszaru.

Jak pisaliśmy w tekście: Stary satelita nauczył się widzieć w nocy. Efekt niesamowity, nawet instrument zaprojektowany do obserwacji dziennych można czasem wykorzystać w zupełnie nowy sposób. W przypadku Sentinel-2A wymagało to jednak pracy na granicy możliwości istniejącego sprzętu. Programowalna optyka miałaby zdolność zmiany wpisaną w konstrukcję od początku.

Trzonem urządzenia jest metapowierzchnia, czyli niezwykle cienka warstwa pokryta regularnym wzorem elementów mniejszych od długości fali, z którą mają współpracować. Ich kształt, rozmiar i rozmieszczenie decydują o tym, jak światło zostanie przepuszczone, odbite lub załamane.

Klasyczna soczewka steruje światłem dzięki zakrzywionej powierzchni i różnicy współczynników załamania między szkłem a otoczeniem. Metapowierzchnia osiąga podobne efekty przez odpowiednie ułożenie struktur w skali nanometrów.

Jak pisaliśmy w tekście: Ekran przyszłości może nie być ekranem. Nowa powierzchnia robi hologramy, taki materiał nie musi sam emitować obrazu. Jego zadaniem jest precyzyjne sterowanie falą i nadawanie jej określonych właściwości.

Dotychczas wiele metapowierzchni działało jak nanometrowy odpowiednik wyrzeźbionej soczewki. Były bardzo cienkie, ale ich funkcję ustalano już podczas produkcji. Jeżeli wzór zaprojektowano do skupiania światła w jednym punkcie, powierzchnia wykonywała to samo zadanie przez cały okres użytkowania.

Nowe urządzenie jest aktywne. Jego właściwości można zmieniać po wyprodukowaniu, a do tego każdy piksel reaguje niezależnie. To właśnie ten element otwiera drogę do optyki, którą dałoby się konfigurować podobnie jak ekran albo pamięć komputera.

W pikselach wykorzystano GSST, czyli związek germanu, antymonu, selenu i telluru. Należy on do materiałów zmiennofazowych, które mogą występować w dwóch różnych stanach strukturalnych. W jednym ustawieniu atomy tworzą uporządkowaną strukturę krystaliczną. W drugim są rozmieszczone bardziej chaotycznie, tworząc fazę amorficzną. Oba stany inaczej oddziałują ze światłem, dlatego przełączenie między nimi zmienia ilość przepuszczanego promieniowania.

Zmianę wywołuje krótki impuls elektryczny. Mikroskopijny grzejnik krzemowy podnosi temperaturę materiału, doprowadzając do jego stopienia lub kontrolowanej krystalizacji. W eksperymencie przejście do stanu amorficznego wymagało impulsu trwającego 13 mikrosekund, natomiast proces krystalizacji trwał 11 milisekund.

Najważniejsze jest to, że po zakończeniu impulsu materiał pozostaje w wybranym stanie. Nie trzeba przez cały czas dostarczać energii, aby piksel zachował ustawienie. Ta nieulotność ma szczególne znaczenie w kosmosie, gdzie każdy wat mocy musi zostać wyprodukowany przez panele słoneczne, przechowany w akumulatorach i odprowadzony później w postaci ciepła. Operator mógłby więc zaprogramować układ przed rozpoczęciem obserwacji, a chip utrzymałby konfigurację podczas zbierania danych bez ciągłego poboru energii.

Badacze poddali jeden z pikseli testowi obejmującemu 19 tys. cykli zmiany stanu. Stabilne właściwości optyczne utrzymywały się przez około 16 700 przełączeń. Później doszło do rozwarstwienia materiału. To wynik ponad 13 razy lepszy od wcześniejszego transmisyjnego filtra wykorzystującego podobną technologię, który zaczynał ulegać degradacji po około 1250 cyklach. Nadal nie jest to jednak trwałość wystarczająca dla większości gotowych urządzeń działających przez wiele lat. Sama matryca również pozostaje niewielka. Piksele są rozmieszczone co 400 µm, a ich aktywny obszar ma zaledwie 60 x 20 µm. Duża część powierzchni prototypu nie uczestniczy więc jeszcze w sterowaniu światłem.

Autorzy przewidują, że po zmianach konstrukcyjnych udział aktywnej powierzchni może wzrosnąć do 80-90 proc. Następnym krokiem będzie również dodawanie kolejnych pikseli i poprawa odprowadzania ciepła. Obecnie matryca jest programowana kolejno, rząd po rzędzie lub kolumna po kolumnie. Ogranicza to szybkość odświeżania całego układu. Znacznie szybsza wersja wymagałaby umieszczenia tranzystora przy każdym pikselu, podobnie jak w aktywnych matrycach ekranów.

Najciekawszym zastosowaniem nie jest wykonywanie liter na podczerwonym obrazie, lecz zmiana funkcji instrumentu już po jego wyniesieniu w kosmos. W najbardziej podstawowej wersji chip mógłby działać jako programowalny filtr. Operator wybierałby, które obszary układu przepuszczają światło, dopasowując instrument do konkretnego pomiaru. Bardziej rozwinięte wersje mogłyby skupiać promieniowanie, zmieniać kierunek wiązki lub korygować zniekształcenia bez przesuwania soczewek.

Taki instrument mógłby inaczej pracować nad miastem, inaczej nad oceanem, a jeszcze inaczej podczas obserwacji instalacji wydobywczej. Konfigurację dałoby się przygotować pod kątem wykrywania metanu, badania temperatury powierzchni albo obserwowania konkretnych struktur w atmosferze.

Przeczytaj także:

Zmiana ustawienia nie wymagałaby wysłania astronauty, mechanicznego obrotu koła z filtrami ani budowania kolejnego satelity. Wystarczyłaby nowa sekwencja impulsów elektrycznych. Nie oznacza to oczywiście pełnej dowolności. Chip musi zostać fizycznie zaprojektowany do pracy w określonym zakresie fal, a jego możliwości wyznaczają materiały i nanostruktura. Nie da się więc zmienić czujnika podczerwieni w radioteleskop za pomocą aktualizacji. Elastyczność może być jednak znacznie większa, niż w obecnych instrumentach.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI