Naukowcy chcą umieścić laser na Księżycu. Ma działać jak kosmiczny GPS

Laser na Księżycu umieszczony w stale zacienionych kraterach mógłby służyć jako niezwykle precyzyjne źródło sygnału dla nawigacji statków kosmicznych i pomiarów odległości w kosmosie. Naukowcy chcą wykorzystać niezwykle zimne miejsca przy południowym biegunie Księżyca do stworzenia ultrastabilnego lasera.

Najciemniejsze kratery Księżyca mogą stać się domem dla laserów

.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.

Jak działa ultrastabilny laser w księżycowym kraterze?

.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 odległość 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).

Laser na Księżycu mógłby pomagać w nawigacji kosmicznej

.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 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.

PAP/WcN