Laserowy GPS na Księżycu? Naukowcy mają nowy pomysł

Setki kraterów na Księżycu, szczególnie w okolicach bieguna południowego, nigdy nie są bezpośrednio oświetlane przez światło słoneczne. Należą do najciemniejszych i najzimniejszych miejsc w Układzie Słonecznym. Naukowcy wymyślili ciekawy sposób wykorzystania tych miejsc.

Bardzo stabilny laser może być na Księżycu źródłem sygnału czasu i pozwolić na nawigację podobną do systemu GPS na Ziemi. Co więcej, gdyby mieć do dyspozycji wiele takich laserów, można by było niezwykle precyzyjnie mierzyć odległości od Księżyca do innych obiektów i być może doprowadzić w ten sposób do odkrycia egzotycznych zjawisk fizycznych, albo rozwinąć badania fal grawitacyjnych.

Aby zbudować taki laser, astronauci musieliby najpierw zamontować tzw. optyczną wnękę krzemową, czyli blok krzemu, który pozwala tylko wybranym częstotliwościom światła na odbijanie się w tę i z powrotem pomiędzy zwierciadłami na każdym z końców. Ustawienie danej odległości pomiędzy lustrami definiuje, jakie częstotliwości są dozwolone do takiego procesu. Dla ultrastabilnych laserów ten dystans nie powinien się zmieniać, a w konsekwencji również stabilne powinny być częstotliwości.

Księżyc to idealne miejsce na taką wnękę optyczną, ponieważ występuje na nim znacznie mniej wibracji niż na Ziemi oraz panuje tam próżnia (brak atmosfery). Z kolei najlepszym miejscem na Księżycu są stale zacienione kratery. Panują w nich temperatury zaledwie 50 kelwinów (czyli około minus 223 stopnie Celsjusza, jedynie 50 stopni powyżej zera bezwzględnego).

Dzięki temu znacznie zmniejszają się drgania powierzchni odbijających (np. luster). Co więcej, w takich kraterach panuje nawet lepsza próżnia niż na pozostałej części powierzchni Księżyca, a więc redukujemy kolejne źródło wibracji: fale dźwiękowe i cząsteczki, które mogłyby uderzyć w lustra, zmieniając odległość pomiędzy nimi.

Z konstrukcji można by było odprowadzać pozostałe ciepło poprzez wypromieniowywanie w przestrzeń kosmiczną i schładzać wnękę optyczną do 16 kelwinów bez konieczności użycia kriostatu lub podobnego sprzętu. W takiej temperaturze krzem nie ulega rozszerzaniu się i kurczeniu przy niewielkich zmianach temperatury.

Po zbudowaniu optycznej wnęki krzemowej można by było umieścić w pobliżu dostępny w przemysłowej produkcji laser. Przykładowo na zboczu lub wewnątrz krateru. Niewielka ilość światła lasera skierowana do wnęki optycznej zostałaby użyta do zablokowania go do jednej z częstotliwości rezonansowych dozwolonych przez parametry wnęki. Dzięki temu laser emitowałby światło o jednej, niezmiennej częstotliwości (barwie).

Po ustabilizowaniu częstotliwości lasera mógłby on służyć jako źródło sygnału typu GPS. Pomagałby statkom kosmicznym w bezpiecznych lądowaniach. A gdyby dostroić światło lasera do sygnałów zegarów atomowych na satelitach, mógłby stać się pierwszym optycznym zegarem atomowym na innym ciele niebieskim.

Warto dodać, iż NASA planuje w ramach projektu Artemis lądowanie w stale zacienionych kraterach koło południowego bieguna Księżyca. Autorzy pomysłu laserów w księżycowych kraterach wskazują, że optyczna wnęka krzemowa zostałaby skonstruowana na Ziemi w wielkości pozwalającej na zmieszczenie się w statku misji Artemis. Na Księżycu trzeba by rozłożyć panele radiacyjne. Z kolei do umieszczenia wnęki optycznej w dole krateru mógłby posłużyć astronautom łazik księżycowy.

Autorzy publikacji uważają, że można będzie przetestować optyczną wnękę krzemową na niskiej orbicie okołoziemskiej za dwa lata, a umieścić na Księżycu za trzy do pięciu lat.

Pomysł opisano w artykule, który ukazał się w „Proceedings of the National Academy of Sciences”. Pierwszym autorem publikacji jest Jun Ye z National Institute of Standards and Technology (NIST) oraz z instytutu JILA, który jest wspólnym przedsięwzięciem NIST oraz University of Colorado Boulder.