Lasery jak GPS w cieniu kraterów Księżyca. Naukowcy pokazali plan nawigacji dla misji Artemis

• W stale zacienionych kraterach można umieścić ultrastabilne lasery, które stworzą księżycowy odpowiednik GPS.
• Projekt wykorzystuje krzemową wnękę optyczną chłodzoną naturalnie do ok. 16 K, co stabilizuje częstotliwość lasera.
• Autorzy chcą przetestować rozwiązanie na niskiej orbicie okołoziemskiej za dwa lata, a na Księżycu w ciągu 3–5 lat.

Pierwsze misje załogowe programu Artemis mają lądować w rejonie południowego bieguna Księżyca. To tam znajdują się setki kraterów, do których nigdy nie dociera bezpośrednie światło Słońca. Naukowcy z USA i Niemiec proponują, by ten unikalny klimat termiczny i próżnia posłużyły do rozmieszczenia ultrastabilnych laserów pełniących rolę sygnałów czasu i pozycji. Koncepcję opisano w "Proceedings of the National Academy of Sciences".

Zacienione kratery należą do najzimniejszych miejsc w Układzie Słonecznym — temperatury sięgają tam ok. 50 K, czyli około -223 stopni Celsjusza. Brak atmosfery oraz minimalne wibracje sprzyjają stabilności urządzeń optycznych. W tych warunkach można ograniczyć drgania luster i zaburzenia wywołane cząsteczkami gazów czy falami dźwiękowymi. To kluczowe, by laser utrzymywał jedną, niezmienną częstotliwość potrzebną do precyzyjnej nawigacji.

Aby zbudować taki laser, astronauci musieliby najpierw zamontować tzw. optyczną wnękę krzemową, czyli blok krzemu. Ten pozwala tylko wybranym częstotliwościom światła na odbijanie się w tę i z powrotem pomiędzy zwierciadłami na każdym z końców. Odległość między lustrami definiuje rezonanse, a stabilność tej odległości przekłada się na stabilność barwy lasera. Naturalne chłodzenie w kraterze pozwala, jak opisano, wypromieniować ciepło w przestrzeń i zejść do ok. 16 K bez specjalnych urządzeń.

Po zainstalowaniu wnęki na dnie krateru astronauci mogliby umieścić w pobliżu przemysłowy laser i niewielką wiązkę skierować do wnęki, aby "zablokować" go na jednej z częstotliwości rezonansowych. Taki nadajnik stałby się źródłem sygnału GPS wspierającego lądowania statków i precyzyjną nawigację powierzchniową. Autorzy wskazują, że po dostrojeniu do zegarów atomowych na satelitach, system mógłby pełnić funkcję pierwszego optycznego zegara atomowego na innym ciele niebieskim.

Zespół przewiduje test technologii na niskiej orbicie okołoziemskiej w ciągu dwóch lat, a wdrożenie na Księżycu w perspektywie trzech do pięciu lat. Elementy wnęki miałyby powstać na Ziemi w rozmiarze kompatybilnym ze statkiem misji Artemis, a na miejscu rozstawiono by panele radiacyjne. Do opuszczenia modułu w głąb krateru mógłby posłużyć łazik, co wpisuje się w planowane operacje w trudnodostępnych, zimnych rejonach bieguna południowego.

Sieć takich laserów otwiera drogę do ekstremalnie dokładnych pomiarów odległości między Księżycem a innymi obiektami. Jak podaje PAP, badacze liczą, że tak stabilne źródła światła pomogą nie tylko w nawigacji, ale też w poszukiwaniu egzotycznych zjawisk fizycznych i rozwoju metod detekcji fal grawitacyjnych.