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Tricorder Tech: STELLA: herramienta educativa de la NASA para medir la salud de las plantas

Tricorder Tech: STELLA: herramienta educativa de la NASA para medir la salud de las plantas

Aquí se muestra un ejemplo de STELLA durante una sesión de prueba de campo del verano de 2023 fuera del laboratorio en una pradera en el campus del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. Fuente de la imagen: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Sophia Renschler

Mientras caminaba hacia la escuela por la mañana, una estudiante de secundaria notó una mancha verde en el jardín de su vecino. Pero las plantas no parecen tan verdes y saludables como crees. Para ver si tenía razón, dejó su mochila y sacó el Stella, un dispositivo de bricolaje no mucho más grande que un teléfono inteligente.

Stella señala el follaje y, con solo presionar un botón, una pequeña pantalla muestra una lectura digital de aproximadamente una docena de mediciones, como temperatura, humedad e intensidad de la luz. Al igual que un conjunto de signos vitales en una inspección anual, los números pueden ayudar a determinar la salud general de una planta.

Puede sonar como el “tricorder” ficticio de Star Trek, pero… estela – En resumen, para Educación en ciencia y tecnología de la NASA para la evaluación de la vida y la Tierra – Es una herramienta real destinada a estudiantes, profesores y científicos ciudadanos. Esta herramienta portátil que puede hacer usted mismo puede escanear, registrar y analizar características del medio ambiente, como la salud de las plantas. Aunque no es exactamente comparable al tricorder, Stella muestra algunas similitudes con su primo lejano de ciencia ficción.

Por ejemplo, las mediciones de Stella de la temperatura de las hojas y la temperatura del aire (y la diferencia entre ellas) pueden indicar qué tan bien se está regando una planta, dijo Paul Merrill, el ingeniero principal del proyecto. Desde 2019, el Proyecto Científico Landsat del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, ha apoyado a Merrill y otros en el desarrollo de STELLA porque es una herramienta valiosa para demostrar cómo funcionan los instrumentos de imágenes de los satélites Landsat.

Merrill añadió que los datos de intensidad de la luz del dispositivo pueden proporcionar una buena indicación de qué tan bien se alimenta una planta a través de la fotosíntesis. Las plantas sanas absorben la mayor parte de la luz visible que les llega y reflejan una parte importante de la luz infrarroja cercana. Las plantas enfermas o escasas reflejan más luz visible y menos radiación del infrarrojo cercano. La relación entre los dos se llama NDVI (índice de vegetación de diferencia normalizada).

Muchos de los satélites de observación de la Tierra de la NASA pueden ayudar a medir el Índice Nacional de Vegetación (NDVI) a escala global, proporcionando datos valiosos para que los agricultores y silvicultores evalúen la salud de sus cultivos y árboles, especialmente en tiempos de sequía y calor.

STELLA (abreviatura de NASA Science and Technology Education for Earth/Life Assessment) es un instrumento portátil que puede escanear, registrar y analizar características del medio ambiente, como la salud de las plantas. Aquí se muestra un ejemplo de Stella durante las pruebas en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. En este experimento de prueba, las dos plantas recibieron diferentes cantidades de agua. Se tomaron lecturas de STELLA periódicamente para monitorear y comparar la salud relativa de las plantas. Créditos: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA/Sofia Rentschler

Las lecturas de Stella son mucho más primitivas que las de Landsat, pero el objetivo no es reemplazar los satélites. Lo que hace que Stella sea tan valiosa es “la capacidad de sostener el instrumento en la mano y realizar esas mediciones ustedes mismos”, dijo la geocientífica Allison Leidner, directora de programas de la División de Ciencias de la Tierra de la NASA que ha utilizado Stella en demostraciones prácticas con candidatos a astronautas. “Te da una idea aproximada de cómo son los datos satelitales y cómo nos ayudan a comprender nuestra Tierra”.

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“El programa Stella representa una gran oportunidad para combinar erudición y educación con una herramienta que puede proporcionarnos datos de alta calidad sobre fisiología y salud vegetal a un precio asequible para escuelas públicas y particulares”, añadió Manuel Lerdau, ecólogo de la Universidad. de Virginia en 2008. Charlottesville. Lerdau y Merrill concibieron STELLA por primera vez en 2019 como un dispositivo lo suficientemente práctico para medir la salud de las plantas y lo suficientemente simple para que lo fabricaran los estudiantes.

De hecho, dos pasantes de secundaria en el Goddard de la NASA pasaron el verano de 2023 construyendo 40 de ellos bajo la supervisión del líder del equipo de Merrill y Stella, Mike Taylor. Christina Balagh trabajó en las placas de circuito que contienen todos los sensores y botones. “En promedio, se necesitan dos horas para hacer un Stella completo”, señaló. Sabrina Pillai ha trabajado en pantallas. “Es un montón de soldadura, solución de problemas y limpieza”, dijo.

Estos STELLA recién ensamblados se prestarán con fines educativos. Hasta ahora, Taylor los ha enviado por correo a escuelas de 10 estados, incluidos Alaska, Nebraska, Nueva York y Tennessee. Incluso recibió cierto interés por parte de Samoa Americana.

Las instrucciones de montaje están disponibles. Gratis en línea desde el sitio web Landsat de la NASA. Hay tres modelos diferentes de STELLA, el más simple de los cuales no requiere soldadura ni impresión 3D y se puede unir sobre un par de depresores de lengua. Las piezas de repuesto para los tres modelos pueden costar menos de 200 dólares.

“El objetivo aquí es democratizar los dispositivos”, dijo Merrill.

Incluso hay un Foro general de Stella GitHub Que proporciona planes de lecciones y mejores prácticas. Karen Karker, especialista en apoyo educativo de la Facultad de Ciencias Ambientales y Silvicultura de SUNY, utilizó STELLA en una lección sobre el espectro electromagnético y descubrió que “es una ayuda visual realmente excelente para el aula”.

“Los estudiantes pueden utilizar STELLA para comprender el mundo que los rodea, estudiar el entorno vivo y construido y tomar medidas para cambiar la forma en que tratamos nuestro planeta”, dijo Lerdau.

Landsat es una misión de estudio geológico conjunta de la NASA y los Estados Unidos que ha estado estudiando el paisaje de la Tierra desde el espacio desde 1972.

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En la suite STELLA del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA, las pasantes Christina Ballag y Sabrina Pillay se unirán al creador Paul Merrill y al líder del equipo Michael Taylor en el verano de 2023. Otros contribuyentes incluyen a Ross Walter, quien creó el visor de datos en línea gratuito para visualizar lecturas; La científica principal Petia Campbell, que está compilando una biblioteca espectroscópica pública que contiene ejemplos de curvas de materiales estándar; y Jesse Barber, que cubre la calibración y validación.

Más información sobre Estela

STELLA (Educación en ciencia y tecnología para la evaluación de la vida y la Tierra) es un kit portátil que puede hacer usted mismo desarrollado por Paul Merrill. Herramientas para la ciencia, la educación, la sensibilización y el compromiso.

¿Qué mide un espectrómetro Stella?

  1. Intensidad de luzEn el Visible Longitudes de onda (en nanómetros): 450, 500, 550, 570, 600, 650. La intensidad de la luz visible se mide en microvatios por centímetro cuadrado, con barras de error de +/- 12% del valor. El sensor selecciona rangos de longitud de onda específicos utilizando una serie de filtros de interferencia de silicio de película delgada, con una resolución de +/- 5 nm. Las bandas están centradas alrededor de las longitudes de onda mencionadas anteriormente, y el ancho de banda de cada banda es +/- 20 nm de ancho total y la mitad del máximo alrededor del centro de la banda, en una distribución gaussiana de sensibilidad. La silicona es un material sólido con baja expansión térmica, por lo que las propiedades del sensor son estables en un amplio rango de temperaturas, así como durante la vida útil del sensor. El campo de visión del sensor tiene forma de cono, con un ángulo de cono de +/- 20 Ba para un campo de visión total de 40 Ba. El sensor es un sensor espectral visible AS7262 construido por ams-OSRAM, en una pequeña placa de circuito diseñada por Adafruit Industries.
  1. Intensidad de luz (en microvatios por cm cuadrado) Infrarrojo cercano Longitudes de onda (en nanómetros): 610, 680, 730, 760, 810, 860. La intensidad de la luz del infrarrojo cercano se mide en microvatios por centímetro cuadrado, con barras de error de +/- 12% del valor. El sensor selecciona rangos de longitud de onda específicos utilizando una serie de filtros de interferencia de silicio de película delgada, con una resolución de +/- 5 nm. Las bandas están centradas alrededor de las longitudes de onda mencionadas anteriormente, y el ancho de banda de cada banda es +/- 10 nm de ancho total y la mitad del máximo alrededor del centro de la banda, en una distribución gaussiana de sensibilidad. La silicona es un material sólido con baja expansión térmica, por lo que las propiedades del sensor son estables en un amplio rango de temperaturas, así como durante la vida útil del sensor. El campo de visión del sensor tiene forma de cono, con un ángulo de cono de +/- 20 Ba para un campo de visión total de 40 Ba. El sensor es un sensor espectroscópico de infrarrojo cercano as7263 construido por ams-OSRAM, en una pequeña placa de circuito construida por SparkFun Electronics.
  1. Temperatura de la superficie, en grados Celsius. Este sensor mide el espectro de la luz infrarroja lejana para producir una curva espectral. Esta curva se ajusta a la curva de emisión térmica del cuerpo negro para derivar la temperatura de la superficie. Este sensor está calibrado contra objetos emisores (no superficies metálicas brillantes). La lectura de temperatura es buena a +/- 0,5°C. El campo de visión del sensor tiene forma de cono, con un ángulo de cono de +/- 17,5 Ba, para un campo de visión total de 35 Ba. Este sensor, elegido por un campo de visión que se aproxima al de los sensores hiperespectrales, es el MLX90614ESF-BAA diseñado por Melexis. Existen otras versiones de este sensor con campos de visión más grandes.
  2. Temperatura del aire, en grados Celsius. Este sensor mide la temperatura del aire ambiente con una precisión de +/- 0,25°C. Mide la banda prohibida de energía cuántica de un semiconductor para extraer la temperatura. Este método de medición es preciso en un amplio rango de temperatura (-40 a +125 °C) y es constante durante toda la vida útil del sensor. Este sensor es el MCP9808, fabricado por Microchip Technologies Inc. y montado en una placa de microcircuito fabricada por Adafruit Industries.
  3. Las circunstancias que rodearon la: Humedad relativa, presión atmosférica, altitud y temperatura del aire. Este sensor mide esos cuatro parámetros, aunque la medición de la temperatura del aire es menos precisa que la del MCP9808, por lo que no registramos la lectura de temperatura del aire para este sensor. La medición de la humedad relativa es buena hasta +/- 3 % y la lectura de la presión atmosférica, en hectopascales, es buena hasta +/- 1 hPa. La medida de altura no está calibrada, por lo que el valor absoluto no es exacto. La precisión del altímetro es mejor que 0,1%, por lo que la incluimos para permitir el etiquetado de datos por altitud de vuelo (aumento y caída rápidos) si STELLA está en uso en un dron. De esta forma se pueden sincronizar los datos del dron y STELLA. Esto es particularmente útil para recopilar lecturas de GPS del dron para etiquetar datos espectrales de STELLA para uso agrícola y ambiental. El sensor es un Bosch BME280, alojado en una pequeña placa de circuito de Adafruit Industries.
  4. tiempo. Configuramos manualmente el reloj de tiempo real de STELLA en Hora Universal Coordinada (UTC) para evitar confusiones entre zonas horarias y el horario de verano. Después de configurar el reloj, seguirá manteniendo la hora, alimentado por la batería de respaldo, incluso cuando STELLA esté apagado. La precisión de este chip de reloj es de +/- 2 segundos por día, aproximadamente +/- 12 minutos por año. El chip de reloj en tiempo real es el PCF8523, fabricado por NXP Semiconductors, en un módulo Adalogger diseñado por Adafruit Industries. }
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Astrobiología, tricorder

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