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From orbit, today’s laser instruments measure Earth’s forests and terrain one narrow line at a time. Between those lines lie enormous gaps, including millions of acres that scientists never directly measure. On a flight over the Great Cypress Swamp in Delaware on November 12, 2024, the instrument’s data showed tree canopy tops, the ground and the low vegetation in separate colors, all from a single continuous image.
Desde la órbita, los instrumentos láser actuales miden los bosques y el terreno de la Tierra una línea estrecha a la vez. Entre esas líneas se extienden enormes vacíos, incluidos millones de acres que los científicos nunca miden directamente. En un vuelo sobre el Great Cypress Swamp, en Delaware, el 12 de noviembre de 2024, los datos del instrumento mostraron las copas de los árboles, el suelo y la vegetación baja en colores distintos, todo en una única imagen continua.
The trick is in the light. Conventional lidars steer their laser with moving mirrors. CASALS, developed with support from NASA’s Earth Science Technology Office, uses a fast-pulsing “seed” laser centered at 1040 nanometers that cycles through 256 wavelengths. It sends this light through a transmission grating, a component with a microscopic pattern of ridges. Because light bends at slightly different angles depending on its wavelength, the grating sends each of the 256 pulses to a different position across the flight path. The result is a swath of ground rather than a single track, and no moving parts are needed to produce it.
El truco está en la luz. Los lidares convencionales dirigen su láser con espejos móviles. CASALS, desarrollado con el apoyo de la Oficina de Tecnología de Ciencias de la Tierra de la NASA, utiliza un láser «semilla» de pulsos rápidos centrado en 1040 nanómetros que recorre 256 longitudes de onda. Envía esta luz a través de una rejilla de transmisión, un componente con un patrón microscópico de crestas. Como la luz se desvía en ángulos ligeramente distintos según su longitud de onda, la rejilla envía cada uno de los 256 pulsos a una posición diferente a lo largo de la trayectoria de vuelo. El resultado es una franja de terreno en lugar de una sola pista, y no hace falta ninguna pieza en movimiento para producirla.
That design also matters for reliability. Motorized mirrors are heavy and prone to failure, and removing them drastically reduces the instrument’s size, weight and power requirements, which the team considers important for the harsh environment of space. The detector array adds a second advantage: it operates at 80% quantum efficiency, meaning it converts almost all of the returning light into an electrical signal. The team says this lets CASALS pick up much weaker return signals, which helps it measure darker surfaces or ground under denser vegetation.
Ese diseño también importa para la fiabilidad. Los espejos motorizados son pesados y propensos a averiarse, y eliminarlos reduce drásticamente el tamaño, el peso y los requisitos de energía del instrumento, algo que el equipo considera importante para el duro entorno del espacio. La matriz de detectores aporta una segunda ventaja: funciona con una eficiencia cuántica del 80 %, lo que significa que convierte casi toda la luz de retorno en una señal eléctrica. El equipo afirma que esto permite a CASALS captar señales de retorno mucho más débiles, lo que le ayuda a medir superficies más oscuras o terrenos bajo una vegetación más densa.
What this changes, and for whom, depends on the next steps. Scientists who study forests, terrain and changing ecosystems would gain a far more complete map than today’s isolated profiles provide. For now, the benefit is limited to aircraft flights: the team plans to fly CASALS again in the ASCENT campaign, scheduled for summer 2027, and has not announced when a spaceborne version could fly. Before that, it intends to widen the swath and add onboard data processing software.
Lo que esto cambia, y para quién, dependerá de los próximos pasos. Los científicos que estudian bosques, relieves y ecosistemas en transformación dispondrían de un mapa mucho más completo que los perfiles aislados actuales. Por ahora, el beneficio se limita a los vuelos en avión: el equipo planea volver a volar CASALS en la campaña ASCENT, prevista para verano de 2027, y no ha anunciado cuándo podría volar una versión espacial. Antes, pretende ampliar la franja y añadir un software de procesamiento de datos a bordo.
The team’s confidence rests on a first campaign that, in the words of Yorks, “worked really well from the first time we flew it.” At roughly five kilometers’ altitude, CASALS already distinguishes individual tree branches and subtle changes in ground elevation, thanks to its 22-centimeter horizontal resolution. Turning that performance into a satellite still means a redesign of the swath and the processing, and NASA presents the outcome as conditional on success.
La confianza del equipo se apoya en una primera campaña que, según Yorks, «funcionó muy bien desde la primera vez que lo volamos». A unos cinco kilómetros de altitud, CASALS ya distingue ramas individuales de árboles y cambios sutiles en la elevación del terreno, gracias a su resolución horizontal de 22 centímetros. Convertir ese rendimiento en un satélite todavía implica rediseñar la franja y el procesamiento, y la NASA presenta el resultado como algo condicionado al éxito.