Lors de sa promenade matinale vers l’école, une lycéenne remarque un coin de verdure dans la cour de son voisin. Mais les plantes ne semblent pas aussi vertes et saines qu’elle le pense. Pour voir si elle a raison, elle pose son sac à dos et en sort STELLA, un gadget DIY pas plus gros qu’un smartphone.

Elle pointe STELLA vers le feuillage et, sur simple pression d’un bouton, un petit écran affiche une lecture numérique d’une douzaine de mesures – des éléments comme la température, l’humidité et l’intensité lumineuse. Comme un ensemble de signes vitaux lors d’un examen annuel, les chiffres peuvent aider à déterminer l’état de santé général de la plante.

Cela peut ressembler au « tricordeur » fictif de Star Trek, mais STELLA – court pour Enseignement scientifique et technologique de la NASA pour l’évaluation des terres et de la vie – est un véritable outil destiné aux étudiants, aux enseignants et aux scientifiques citoyens. Ce gadget portable à faire soi-même peut numériser, enregistrer et analyser des caractéristiques de l’environnement, telles que la santé des plantes. Bien qu’elle ne soit pas parfaitement comparable au tricordeur, STELLA présente certains parallèles avec son lointain cousin de science-fiction.

Par exemple, les mesures STELLA de la température des feuilles et de la température de l’air – et de la différence entre elles – peuvent donner une idée du niveau d’arrosage d’une plante, a déclaré Paul Mirel, ingénieur en chef du projet. Depuis 2019, le projet scientifique Landsat du Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland, soutient Mirel et d’autres dans le développement de STELLA, car il s’agit d’un outil précieux pour démontrer le fonctionnement des instruments d’imagerie des satellites Landsat.

Mirel a ajouté que les données d’intensité lumineuse de l’instrument peuvent offrir une bonne indication de la façon dont une plante se nourrit par la photosynthèse. Les plantes saines absorbent la majeure partie de la lumière visible qui les frappe et réfléchissent une grande partie de la lumière proche infrarouge. Une végétation malsaine ou clairsemée reflète plus de lumière visible et moins de proche infrarouge. Le rapport entre les deux est appelé NDVI – l’indice de végétation par différence normalisée.

Plusieurs satellites d’observation de la Terre de la NASA peuvent aider à mesurer le NDVI à l’échelle mondiale, offrant des données précieuses aux agriculteurs et aux forestiers évaluant la santé de leurs cultures et de leurs arbres, en particulier en période de sécheresse et de chaleur.

STELLA (abréviation de NASA’s Science and Technology Education for Land / Life Assessment) est un gadget portable à faire soi-même qui peut numériser, enregistrer et analyser les caractéristiques de l’environnement, telles que la santé des plantes. Un exemple de STELLA est présenté ici lors de tests au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, dans le Maryland. Dans cette expérience test, les deux plantes ont reçu des quantités d’eau différentes. Des mesures STELLA ont été prises régulièrement pour surveiller et comparer la santé relative des plantes. Crédits : Goddard Space Flight Center de la NASA/Sophia Rentschler

Les relevés de STELLA sont bien plus rudimentaires que ceux de Landsat, mais le remplacement des satellites n’est pas la question. Ce qui rend STELLA si précieux, c’est « la capacité de tenir l’instrument dans votre main et d’effectuer ces mesures vous-mêmes », a déclaré la spécialiste des sciences de la Terre Allison Leidner, responsable de programme à la division des sciences de la Terre de la NASA, qui a utilisé STELLA lors de démonstrations pratiques avec des candidats astronautes. « Cela vous donne une idée générale de ce à quoi ressemblent les données satellitaires et de la manière dont elles nous aident à comprendre notre Terre. »

« STELLA présente une excellente opportunité d’intégrer l’érudition et l’éducation avec un instrument qui peut nous fournir des données de qualité publication sur la physiologie et la santé des plantes à des prix abordables pour les écoles publiques et les particuliers », a ajouté Manuel Lerdau, écologiste à l’Université de Virginie à Washington. Charlottesville. Lerdau et Mirel ont conçu STELLA pour la première fois en 2019 comme un appareil suffisamment fonctionnel pour mesurer la santé des plantes et suffisamment simple pour être construit par les étudiants.

En fait, deux stagiaires du secondaire de la NASA Goddard ont passé l’été 2023 à en construire 40 sous la direction de Mirel et du chef de l’équipe STELLA, Mike Taylor. Christina Ballagh a travaillé sur les circuits imprimés qui contiennent tous les capteurs et boutons. « En moyenne, il faut deux heures pour fabriquer une STELLA entière », a-t-elle noté. Sabrina Pillai a travaillé sur les écrans. «C’est une tonne de soudure, de dépannage et de nettoyage», a-t-elle déclaré.

Ces STELLA nouvellement assemblées seront prêtées à des fins éducatives. Taylor les a jusqu’à présent envoyés par courrier aux écoles de 10 États, dont l’Alaska, le Nebraska, New York et le Tennessee. Il a même suscité l’intérêt des Samoa américaines.

Les instructions de montage sont disponibles gratuitement en ligne sur le site Landsat de la NASA. Il existe trois modèles STELLA différents, dont le plus simple ne nécessite ni soudure ni impression 3D et peut être collé ensemble sur une paire d’abaisse-langues. Les pièces pour les trois modèles peuvent coûter moins de 200 $.

« L’objectif ici est de démocratiser l’instrumentation », a déclaré Mirel.

Il y a même un Forum public GitHub de STELLA qui propose des plans de cours et des meilleures pratiques. Karen Karker, spécialiste du soutien pédagogique au SUNY College of Environmental Science and Forestry, a utilisé les STELLA dans une leçon sur le spectre électromagnétique et a découvert que « c’est une très bonne aide visuelle pour la classe ».

« Les étudiants peuvent utiliser STELLA pour comprendre le monde qui les entoure, étudier l’environnement vivant et bâti et prendre les mesures nécessaires pour changer la façon dont nous traitons notre planète », a déclaré Lerdau.

Landsat est une mission conjointe NASA-US Geological Survey qui étudie les paysages terrestres depuis l’espace depuis 1972.

Dans le groupe STELLA du Goddard Space Flight Center de la NASA, le créateur Paul Mirel et le chef d’équipe Michael Taylor ont été rejoints par les stagiaires Christina Ballagh et Sabrina Pillai à l’été 2023. Parmi les autres contributeurs figurent Ross Walter, qui a créé la visionneuse de données en ligne gratuite pour visualiser les lectures ; le scientifique principal Petya Campbell, qui rassemble une bibliothèque spectrale publique avec des exemples de courbes de matériaux standards ; et Jesse Barber, qui s’occupe de l’étalonnage et de la validation.

Plus d’informations sur STELLA

STELLA (Science and Technology Education for Land / Life Assessment) sont des instruments portables à faire soi-même développés par Paul Mirel. Instruments pour la science, l’éducation, la sensibilisation et l’engagement.

Que mesurent les spectromètres STELLA ?

1. Intensité lumineusedans le visible longueurs d’onde (en nanomètres) : 450, 500, 550, 570, 600, 650L’intensité de la lumière visible est mesurée en microwatts par centimètre carré, avec des barres d’erreur de +/- 12 % de la valeur. Le capteur sélectionne les bandes de longueurs d’onde spécifiques à l’aide d’un ensemble de filtres interférentiels à couches minces de silicium, avec une précision de +/- 5 nanomètres. Les bandes sont centrées autour des longueurs d’onde énumérées ci-dessus, et la bande passante de chaque bande est de +/- 20 nanomètres sur toute la largeur à mi-largeur autour du centre de la bande, dans une distribution gaussienne de sensibilité. Le silicium est un matériau dur à faible expansivité thermique, de sorte que les caractéristiques du capteur sont stables sur une large plage de températures, ainsi que pendant toute la durée de vie du capteur. Le champ de vision du capteur est en forme de cône, avec un angle de cône de +/- 20’ba pour un champ de vision total de 40’ba. Le capteur est le capteur spectral visible as7262 construit par ams-OSRAM, sur un petit circuit imprimé construit par Adafruit Industries.

2. Intensité lumineuse (en microwatts par centimètre carré), dans le proche infrarouge longueurs d’onde (en nanomètres) : 610, 680, 730, 760, 810, 860 L’intensité lumineuse proche infrarouge est mesurée en microwatts par centimètre carré, avec des barres d’erreur de +/- 12 % de la valeur. Le capteur sélectionne les bandes de longueurs d’onde spécifiques à l’aide d’un ensemble de filtres interférentiels à couches minces de silicium, avec une précision de +/- 5 nanomètres. Les bandes sont centrées autour des longueurs d’onde énumérées ci-dessus, et la bande passante de chaque bande est de +/- 10 nanomètres sur toute la largeur à mi-largeur autour du centre de la bande, dans une distribution gaussienne de sensibilité. Le silicium est un matériau dur à faible expansivité thermique, de sorte que les caractéristiques du capteur sont stables sur une large plage de températures, ainsi que pendant toute la durée de vie du capteur. Le champ de vision du capteur est en forme de cône, avec un angle de cône de +/- 20’ba pour un champ de vision total de 40’ba. Le capteur est le capteur spectral proche infrarouge as7263 construit par ams-OSRAM, sur un petit circuit imprimé construit par SparkFun Electronics.

3. Température superficielle, en degrés Celsius. Ce capteur mesure un spectre de lumière infrarouge lointain pour produire une courbe spectrale. Cette courbe est ajustée à une courbe d’émission thermique du corps noir, pour en déduire la température de surface. Ce capteur est calibré pour les objets émissifs (pas les surfaces métalliques brillantes). La lecture de la température est bonne à +/- 0,5 \’baC. Le champ de vision du capteur est en forme de cône, avec un angle de cône de +/- 17,5’ba, pour un champ de vision total de 35’ba. Ce capteur, choisi pour un champ de vision proche de celui des capteurs spectraux, est le MLX90614ESF-BAA construit par Melexis. Il existe d’autres versions de ce capteur avec des champs de vision plus larges.
4. Température de l’air, en degrés Celsius. Ce capteur mesure la température de l’air ambiant avec une précision de +/- 0,25 \’baC. Il mesure la bande interdite d’énergie quantique de la bande de conduction du semi-conducteur pour en dériver la température. Cette méthode de mesure est précise sur une large plage de températures (-40 à +125 \’baC) et est stable pendant toute la durée de vie du capteur. Ce capteur est un MCP9808, fabriqué par Microchip Technologies Inc., installé sur un petit circuit imprimé construit par Adafruit Industries.
5. Conditions ambiantes: Humidité relative, pression barométrique, altitude et température de l’air. Ce capteur mesure ces quatre paramètres, bien que la mesure de la température de l’air soit moins précise que celle du MCP9808, nous n’enregistrons donc pas la lecture de la température de l’air de ce capteur. La mesure de l’humidité relative est bonne à +/- 3% et la lecture de la pression barométrique, en hectoPascals, est bonne à +/-1 hPa. La mesure de l’altitude n’est pas calibrée, la valeur absolue n’est donc pas précise. La précision de la mesure d’altitude est meilleure que 0,1%, nous l’incluons donc pour permettre le marquage des données par excursion d’altitude (montée et descente rapides) si le STELLA est utilisé sur un drone aérien. De cette manière, les données du drone et les données STELLA peuvent être synchronisées. Ceci est particulièrement utile pour collecter les lectures GPS du drone afin d’étiqueter les données spectrales de STELLA, à des fins agricoles et écologiques. Le capteur est un Bosch BME280, sur un petit circuit imprimé d’Adafruit Industries.
6. Temps. Nous réglons manuellement l’horloge en temps réel du STELLA sur le temps universel coordonné (UTC) pour éviter toute confusion entre les fuseaux horaires et l’heure d’été. Une fois l’horloge réglée, elle continuera à indiquer l’heure, alimentée par la batterie de secours, même lorsque le STELLA est éteint. La précision de cette puce d’horloge est de +/- 2 secondes par jour, soit environ +/- 12 minutes par an. La puce d’horloge en temps réel est une PCF8523, fabriquée par NXP Semiconductors, sur le module enregistreur de données Adalogger construit par Adafruit Industries. }

Astrobiologie, Tricordeur