L'atmosfera terrestre è per lo più composta da azoto e ossigeno, ma i gas traccia diluiti, sia da fonti naturali che dalle attività umane, svolgono un ruolo importante nell'ambiente, nel clima e nella salute umana. Questi gas includono gli oltre 50 miliardi di tonnellate di gas serra che il mondo emette collettivamente nell'atmosfera ogni anno, tra cui anidride carbonica, metano, protossido di azoto e altri.
Ma anche molti altri gas traccia sono significativi, come il biossido di azoto, che conferisce allo smog urbano il suo familiare colore marrone; ozono troposferico, che causa molti degli impatti negativi sulla salute dello smog; e anidride solforosa, che causa piogge acide. Questi sono in gran parte prodotti dall'attività umana – centrali elettriche e veicoli a base di combustibili fossili – ma i vulcani e le attività agricole sono altre fonti.
Un elemento chiave delle strategie di prevenzione dell'inquinamento di successo è l'identificazione delle fonti di questi gas traccia inquinanti e la comprensione delle loro reazioni chimiche nell'atmosfera mentre si muovono sottovento. Un obiettivo a lungo ricercato in questo settore è stato quello di identificare le fonti dallo spazio. Mentre alcuni satelliti esistenti possono monitorare questi gas su scala regionale grossolana, nessuno ha la risoluzione spaziale per vedere dettagli cruciali su scala più fine, come la chimica degli inquinanti all'interno delle città o le prime emissioni di anidride solforosa dai vulcani che si risvegliano.
Inoltre, gli strumenti satellitari in grado di misurare i gas traccia sono stati tradizionalmente grandi, pesanti e affamati di energia, richiedendo grandi ospiti satellitari che sono costosi da sviluppare e lanciare. Ciò rende l'implementazione di una capacità di monitoraggio dei gas traccia ad alta risoluzione utilizzando la tecnologia tradizionale una proposta molto costosa.
La nuova tecnologia sviluppata al Los Alamos National Laboratory può fornire una soluzione a questo problema. Il NanoSat Atmospheric Chemistry Hyperspectral Observation System, o NACHOS, è il primo sistema di imaging iperspettrale basato su cubesat in grado di competere con i tradizionali strumenti a grande satellite in applicazioni di rilevamento chimico. L'imaging iperspettrale è concettualmente simile all'imaging a colori, tranne per il fatto che invece di ogni pixel contenente solo i tre familiari canali rosso, verde e blu che imitano la visione umana, ogni pixel contiene centinaia di bande di lunghezza d'onda, analizzando la luce in grande dettaglio al fine di individuare l'impronta digitale spettrale unica di ciascun gas di interesse.
Il sistema utilizza specchi sferici facili da produrre, hanno un'elevata produttività ottica (consentendo molta luce per la massima sensibilità) e possono adattarsi a un satellite che ha all'incirca le dimensioni di una pagnotta di pane. La sua alta risoluzione spaziale consente ai ricercatori di vedere i gas non su scala regionale, ma su scala di vicinato, e potrebbe persino vedere le emissioni delle singole centrali elettriche dal suo punto di osservazione dell'orbita terrestre bassa a più di 300 miglia (480 chilometri) in su.
Può essere utilizzato in una varietà di applicazioni scientifiche, tra cui il monitoraggio dell'ozono troposferico (uno dei componenti più dannosi per la salute dello smog urbano), la rilevazione della formaldeide dagli incendi e l'identificazione e la distinzione tra la dispersione e l'assorbimento di aerosol nell'atmosfera, un fattore cruciale nella comprensione dei cambiamenti climatici.
Oltre al monitoraggio dell'inquinamento, questi potenti imager possono migliorare la sicurezza pubblica. Le telecamere ad alta risoluzione possono rilevare bassi livelli di degassamento vulcanico e aiutare a fornire informazioni su quando un vulcano potrebbe eruttare.
Il primo cubesat NACHOS è stato lanciato il 19 febbraio a bordo del veicolo di rifornimento Northrop-Grumman NG-17 Cygnus, che ora è ancorato alla Stazione Spaziale Internazionale. Nei primi test, che inizieranno entro la fine dell'anno dopo che Cygnus si sgancia e schiera NACHOS nella sua orbita finale, il team di ricerca esaminerà le emissioni chimiche provenienti da siti rappresentativi, come le centrali elettriche a carbone Four Corners e San Juan nel New Mexico, il bacino di Los Angeles, Città del Messico e Popocatépetl, il vicino vulcano attivo che incombe su quella città. I dati raccolti da questo progetto aiuteranno a comprendere meglio l'inquinamento in queste regioni, migliorare le previsioni sulla qualità dell'aria e fornire preziosi dati scientifici ai vulcanologi.
Mentre l'imaging iperspettrale è una tecnica potente, produce grandi quantità di dati che possono richiedere ore per il downlink in forma grezza. Quindi, un altro obiettivo cruciale di questi test è valutare l'esclusiva capacità di elaborazione delle immagini a bordo di NACHOS, che ridurrà drasticamente il tempo necessario per il downlink. NACHOS utilizza algoritmi di nuova concezione ed efficienti dal punto di vista computazionale in grado di estrarre rapidamente le firme dei gas da enormi set di dati iperspettrali, impiegando solo pochi minuti per farlo anche sul piccolo computer del cubesat.
Se combinati in una costellazione di altri cubesat, questi imager potrebbero fornire un monitoraggio atmosferico con alta risoluzione spaziale e osservazione quasi continua di aree chiave. Un secondo cubesat NACHOS è previsto per il lancio questa estate. Potenzialmente, queste costellazioni potrebbero utilizzare uno schema di ribaltamento e cueing inter-satellite, in cui un satellite rileva un evento irregolare, quindi segnala altri satelliti con capacità diverse per identificare la causa. Sono previste osservazioni ancora più dettagliate, in cui i due cubesat saranno affiancati da versioni terrestri dello strumento iperspettrale NACHOS in osservazioni simultanee per produrre mappe 3D dettagliate dei pennacchi di gas inquinanti. Questi satelliti economici e la capacità di fornire dati in tempo reale potrebbero cambiare il modo in cui i ricercatori si avvicinano al monitoraggio atmosferico e aiutare a combattere i cambiamenti climatici nel processo.