Η NASA σχεδιάζει σύστημα GPS μέσα στους σκοτεινούς σεληνιακούς κρατήρες

Σύνοψη

• Ερευνητές του Αμερικανικού Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) προτείνουν την εγκατάσταση υπερσταθερών λέιζερ στο εσωτερικό μόνιμα σκιασμένων σεληνιακών κρατήρων.
• Οι εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και το φυσικό κενό της Σελήνης εκμηδενίζουν τη θερμική διαστολή των οπτικών κοιλοτήτων πυριτίου, επιτρέποντας απόλυτη ακρίβεια.
• Το δίκτυο αυτό θα λειτουργεί ως υποδομή πλοήγησης (αντίστοιχη του GPS), επιτρέποντας στα οχήματα (rovers) και τους αστροναύτες του προγράμματος Artemis να κινούνται με ακρίβεια.
• Η τεχνολογία αποσκοπεί στην απεξάρτηση των σεληνιακών αποστολών από τα επίγεια δίκτυα παρακολούθησης της Γης, αποτελώντας τη βάση για το πρώτο εξωγήινο οπτικό ατομικό ρολόι.

Η πλοήγηση στην επιφάνεια της Σελήνης αποτελεί μία από τις σημαντικότερες τεχνικές προκλήσεις για τις μελλοντικές επανδρωμένες και ρομποτικές αποστολές του προγράμματος Artemis. Σύμφωνα με νέα δεδομένα που δημοσιεύθηκαν από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) των ΗΠΑ, η λύση για την ακριβή τοποθεσία των αστροναυτών ενδέχεται να κρύβεται στους πιο σκοτεινούς και παγωμένους κρατήρες του φυσικού μας δορυφόρου. Οι ερευνητές προτείνουν την ανάπτυξη ενός συστήματος εντοπισμού θέσης, αντίστοιχου του γήινου GPS, το οποίο θα βασίζεται σε συστοιχίες υπερσταθερών λέιζερ.

Η συγκεκριμένη προσέγγιση αλλάζει τα δεδομένα του σχεδιασμού διαστημικών υποδομών, καθώς αξιοποιεί τις ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες του σεληνιακού τοπίου προς όφελος της οπτικής φυσικής, μειώνοντας δραματικά το κόστος και την πολυπλοκότητα του απαιτούμενου εξοπλισμού σε σχέση με αντίστοιχα συστήματα που λειτουργούν στη Γη.

Πώς λειτουργεί το σεληνιακό σύστημα πλοήγησης (GPS) με λέιζερ;

Το σεληνιακό σύστημα πλοήγησης βασίζεται σε υπερσταθερά λέιζερ τοποθετημένα σε μόνιμα σκιασμένους κρατήρες της Σελήνης. Εκπέμποντας φως με απόλυτα σταθερή συχνότητα, τα λέιζερ μετρούν με ακρίβεια χιλιοστού τις αποστάσεις μεταξύ διαστημοπλοίων και δορυφόρων, λειτουργώντας ως κεντρικοί φάροι χρονισμού και εξαλείφοντας την ανάγκη συνεχούς επικοινωνίας με τη Γη.

Βασικά τεχνικά δεδομένα

• Τεχνολογία Υποδομής: Οπτικές κοιλότητες από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο.
• Τοποθεσία Ανάπτυξης: Μόνιμα σκιασμένοι κρατήρες (PSRs) κυρίως στον Νότιο Πόλο της Σελήνης.
• Λειτουργικός Στόχος: Αυτόνομη πλοήγηση για αστροναύτες, rovers (π.χ. Lunar Terrain Vehicle) και δορυφορικά δίκτυα (όπως το σύστημα Moonlight της ESA).
• Χρονοδιάγραμμα Δοκιμών: Οι πρώτες δοκιμές της τεχνολογίας σε χαμηλή γήινη τροχιά (LEO) προγραμματίζονται για τα επόμενα χρόνια.

Η γεωλογία της Σελήνης ως πλεονέκτημα για την οπτική φυσική

Η θεμελιώδης αρχή λειτουργίας ενός υπερσταθερού λέιζερ απαιτεί την παραγωγή φωτός με σχεδόν τέλεια και αμετάβλητη συχνότητα. Στα εργαστήρια της Γης, τα λέιζερ αυτά σταθεροποιούνται μέσω οπτικών κοιλοτήτων πυριτίου. Ωστόσο, οι θερμοκρασιακές διακυμάνσεις αναγκάζουν τα υλικά να διαστέλλονται ή να συστέλλονται. Ακόμη και μία μεταβολή της τάξης του κλάσματος του νανομέτρου στο μήκος της κοιλότητας αρκεί για να αλλοιώσει τη συχνότητα του λέιζερ, καθιστώντας τα δεδομένα πλοήγησης αναξιόπιστα. Η επίλυση αυτού του προβλήματος στη Γη απαιτεί ογκώδη και ενεργοβόρα κρυογονικά συστήματα.

Η Σελήνη προσφέρει μια φυσική, παθητική λύση. Οι πυθμένες των κρατήρων στους σεληνιακούς πόλους δεν έχουν δεχθεί το φως του Ήλιου για δισεκατομμύρια χρόνια, διατηρώντας θερμοκρασίες που αγγίζουν τους -240°C. Σε συνδυασμό με το εξαιρετικά υψηλό κενό του Διαστήματος και την παντελή απουσία μικροσκοπικών σεισμικών δονήσεων (συγκριτικά με τη συνεχή σεισμικότητα της Γης), οι οπτικές κοιλότητες πυριτίου μπορούν να λειτουργήσουν με σχεδόν μηδενική θερμική διαστολή.

Αυτό το μοναδικό γεωλογικό περιβάλλον επιτρέπει την εγκατάσταση συστημάτων με ελάχιστες απαιτήσεις εξωτερικής ψύξης, μετατρέποντας τους κρατήρες στο ιδανικό φυσικό περίβλημα για τη φιλοξενία των πλέον ευαίσθητων επιστημονικών οργάνων.

Ανεξαρτησία των αποστολών Artemis από τα γήινα δίκτυα

Σήμερα, κάθε διαστημικό όχημα που κινείται πέρα από τη χαμηλή γήινη τροχιά, βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στο Deep Space Network (DSN) της NASA. Ο σταθμός παρακολούθησης αποστέλλει σήματα ραδιοσυχνοτήτων στο σκάφος, το οποίο στη συνέχεια τα αναμεταδίδει πίσω στη Γη. Ο χρόνος που απαιτείται για αυτή τη μετάδοση υπολογίζεται προκειμένου να καθοριστεί η απόσταση και η ταχύτητα του οχήματος.

Η μέθοδος αυτή είναι επαρκής για μεμονωμένα σκάφη, αλλά εντελώς ακατάλληλη για τη διαχείριση ενός περίπλοκου δικτύου πολλαπλών οχημάτων (όπως οχήματα εδάφους, δορυφόρους επικοινωνιών και μονάδες προσέδαφισης) που θα δράσουν ταυτόχρονα στη Σελήνη. Οι χρονοκαθυστερήσεις και ο κορεσμός των επικοινωνιακών ζεύξεων εγείρουν σοβαρά ζητήματα ασφαλείας για τους αστροναύτες.

Τοποθετώντας τις μονάδες των υπερσταθερών λέιζερ απευθείας στη σεληνιακή επιφάνεια, οι ερευνητές του NIST δημιουργούν μια ραχοκοκαλιά χρονισμού. Τα τοπικά σεληνιακά δορυφορικά δίκτυα θα συγχρονίζονται απλώς με τα λέιζερ των κρατήρων, λειτουργώντας ως οπτικοί φάροι εκπέμποντας τα δεδομένα στους αστροναύτες σε πραγματικό χρόνο, ακριβώς όπως οι δορυφόροι GPS μεταδίδουν το στίγμα τους στα smartphone μας.

Η ανάπτυξη του πρώτου εξωγήινου οπτικού ατομικού ρολογιού

Ο τελικός στόχος της εφαρμογής, όπως επισημαίνουν στελέχη του NIST, υπερβαίνει την απλή πλοήγηση. Η επιτυχής εγκατάσταση και λειτουργία αυτών των λέιζερ σε συνδυασμό με συστήματα παρακολούθησης κβαντικής κατάστασης, θα σημάνει τη δημιουργία του πρώτου οπτικού ατομικού ρολογιού σε εξωγήινη επιφάνεια. Η ακρίβεια χρονομέτρησης είναι ο θεμέλιος λίθος των σύγχρονων τηλεπικοινωνιών, κρίσιμος παράγοντας για τον συγχρονισμό κρυπτογραφημένων δεδομένων και την ασφαλή μετάδοση επιστημονικής τηλεμετρίας από το βαθύ διάστημα.

Πριν από τη μεταφορά του εξοπλισμού στη Σελήνη, η τεχνολογία των συμπαγών οπτικών κοιλοτήτων θα δοκιμαστεί διεξοδικά σε συνθήκες μικροβαρύτητας. Ήδη σχεδιάζονται πειραματικές πτήσεις σε χαμηλή τροχιά (LEO) εντός των προσεχών ετών, ώστε να πιστοποιηθεί η ανθεκτικότητα των λέιζερ κατά τη φάση της εκτόξευσης από τη Γη, όπου οι ακραίες δονήσεις αποτελούν τον μεγαλύτερο κίνδυνο για τη δομική ακεραιότητα των συστημάτων.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!