Imagen infrarroja de un investigador de la NASA. Click para agrandar
El desarrollo de detectores infrarrojos ha sido una bendición para la astronomía. La NASA ha desarrollado una alternativa económica a los detectores infrarrojos anteriores, que podrían encontrar muchos usos aquí en la Tierra. El detector se llama matriz de fotodetector infrarrojo de pozo cuántico (QWIP) y puede detectar rápidamente incendios forestales, detectar fugas de gas y tener muchos otros usos comerciales.
Un detector económico desarrollado por un equipo dirigido por la NASA ahora puede ver luz infrarroja invisible en una gama de "colores" o longitudes de onda.
El detector, llamado conjunto de fotodetectores infrarrojos de pozo cuántico (QWIP), era el conjunto infrarrojo más grande del mundo (un millón de píxeles) cuando se anunció el proyecto en marzo de 2003. Era una alternativa de bajo costo a la tecnología de detectores infrarrojos convencionales para una amplia gama gama de aplicaciones científicas y comerciales. Sin embargo, en ese momento solo podía detectar un rango estrecho de colores infrarrojos, equivalente a hacer una fotografía convencional en blanco y negro. La nueva matriz QWIP tiene el mismo tamaño pero ahora puede detectar infrarrojos en un amplio rango.
"La capacidad de ver un rango de longitudes de onda infrarrojas es un avance importante que aumentará en gran medida los usos potenciales de la tecnología QWIP", dijo el Dr. Murzy Jhabvala del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland, investigador principal del proyecto.
La luz infrarroja es invisible para el ojo humano, pero algunos tipos son generados y percibidos como calor. Un detector infrarrojo convencional tiene una cantidad de celdas (píxeles) que interactúan con una partícula entrante de luz infrarroja (un fotón infrarrojo) y la convierten en una corriente eléctrica que se puede medir y registrar. En principio, son similares a los detectores que convierten la luz visible en una cámara digital. Cuantos más píxeles se puedan colocar en un detector de un tamaño determinado, mayor será la resolución, y las matrices QWIP de la NASA son un avance significativo sobre las matrices QWIP anteriores de 300,000 píxeles, anteriormente las más grandes disponibles.
El detector QWIP de la NASA es un chip semiconductor de arseniuro de galio (GaAs) con más de 100 capas de material detector en la parte superior. Cada capa es extremadamente delgada, con un espesor de 10 a 700 átomos, y las capas están diseñadas para actuar como pozos cuánticos.
Los pozos cuánticos emplean la extraña física del mundo microscópico, llamada mecánica cuántica, para atrapar electrones, las partículas fundamentales que transportan corriente eléctrica, de modo que solo la luz con una energía específica puede liberarlos. Si la luz con la energía correcta golpea uno de los pozos cuánticos en la matriz, el electrón liberado fluye a través de un chip separado por encima de la matriz, llamado lectura de silicio, donde se registra. Una computadora usa esta información para crear una imagen de la fuente de infrarrojos.
La matriz QWIP original de la NASA podría detectar luz infrarroja con una longitud de onda entre 8.4 y 9.0 micrómetros. La nueva versión puede ver infrarrojos entre 8 y 12 micrómetros. El avance fue posible porque los pozos cuánticos pueden diseñarse para detectar luz con diferentes niveles de energía variando la composición y el grosor de las capas de material del detector.
"La amplia respuesta de esta matriz, particularmente en el infrarrojo lejano, de 8 a 12 micrómetros, es crucial para la espectroscopía infrarroja", dijo Jhabvala. La espectroscopía es un análisis de la intensidad de la luz en diferentes colores de un objeto. A diferencia de una fotografía simple que solo muestra la apariencia de un objeto, la espectroscopía se utiliza para recopilar información más detallada, como la composición química, la velocidad y la dirección del movimiento del objeto. La espectroscopia se usa en investigaciones criminales; por ejemplo, para saber si una sustancia química encontrada en la ropa de un sospechoso coincide con la de la escena del crimen, y así es como los astrónomos determinan de qué están hechas las estrellas, aunque no hay forma de tomar una muestra directamente, con las estrellas a muchos billones de millas de distancia.
Otras aplicaciones para matrices QWIP son numerosas. En NASA Goddard, algunas de estas aplicaciones incluyen: estudiar las temperaturas de la troposfera y la estratosfera e identificar trazas químicas; mediciones del balance energético de la copa de los árboles; medición de las emisividades de la capa de nubes, tamaño de gota / partícula, composición y altura; Emisiones de SO2 y aerosoles de erupciones volcánicas; seguimiento de partículas de polvo (del desierto del Sahara, por ejemplo); Absorción de CO2; la erosión costera; gradientes térmicos oceánicos / fluviales y contaminación; analizar radiómetros y otros equipos científicos utilizados para obtener la verificación del terreno y la adquisición de datos atmosféricos; astronomía terrestre; y temperatura sonando.
Las posibles aplicaciones comerciales son bastante diversas. La utilidad de las matrices QWIP en instrumentación médica está bien documentada (OmniCorder, Inc. en Nueva York) y puede convertirse en uno de los controladores de tecnología QWIP más importantes. El éxito del uso de OmniCorder Technologies de arreglos QWIP de banda estrecha de 256 x 256 para ayudar en la detección de tumores malignos es bastante notable.
Otras aplicaciones comerciales potenciales para los arreglos QWIP incluyen: ubicación de incendios forestales y puntos calientes residuales; ubicación de invasión de vegetación no deseada; monitoreo de la salud de los cultivos; monitorear la contaminación, madurez y deterioro del procesamiento de alimentos; localizar fallas de transformadores de línea de energía en áreas remotas; monitoreo de efluentes de operaciones industriales como fábricas de papel, sitios mineros y plantas de energía; microscopía infrarroja; buscando una amplia variedad de fugas térmicas y localizando nuevas fuentes de agua de manantial.
Los arreglos QWIP son relativamente económicos porque pueden fabricarse utilizando tecnología estándar de semiconductores que produce los chips de silicio utilizados en las computadoras en todas partes. También se pueden hacer muy grandes, porque los GaAs se pueden cultivar en lingotes grandes, al igual que el silicio.
El esfuerzo de desarrollo fue liderado por el Centro de Tecnología e Sistemas de Instrumentos de la NASA Goddard. El Laboratorio de Investigación del Ejército (ARL), Adelphi, Maryland, fue instrumental en la teoría, diseño y fabricación de la matriz QWIP, y L3 / Cincinnati Electronics de Mason, Ohio, proporcionó la lectura de silicio y la hibridación. Este trabajo fue concebido y financiado por la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra como un proyecto de desarrollo de Tecnología de Componentes Avanzados.
Fuente original: Comunicado de prensa de la NASA
