В самых глубоких и темных лунных впадинах возможно размещение лазерного оборудования для навигации и отсчета времени. Специалисты выдвинули идею установки особо устойчивых лазеров в затененных лунных углублениях для формирования систем позиционирования, хронометража и сверхточных замеров вне Земли.
Ирина Медведева
Почему мы не видим обратную сторону Луны? Источник фото: livescience.com
Проект сверхустойчивой лазерной установки на Луне
Замысел состоит в применении лунных воронок, куда никогда не проникает солнечное излучение. Такие участки постоянно скрыты, а температура там достигает примерно 50 кельвинов. Как полагают авторы проекта, эти обстоятельства уменьшают дрожание, тепловые помехи и колебания поверхности, что часто мешает точным оптическим приборам на нашей планете.
Базой предложения выступает оптический резонатор из кремния. Данное устройство позволяет пропускать только конкретные световые частоты между парой зеркал, делая стабильным сигнал лазера, связанного с резонатором. Задача — изготовить лазер с крайне устойчивой частотой, не меняющейся со временем.
По заверениям ученых, Луна обладает плюсами, которых лишены наземные лаборатории. Отсутствие воздуха, малая сейсмическая активность и постоянная температура делают ее отличным местом для систем точных замеров, где необходима высочайшая стабильность.
Преимущества холодной зоны спутника
Физик Чжун Йе из Национального института стандартов и технологий и JILA отметил, что зоны вечной тени дают идеальные условия для такой установки. Он описал плюсы подобной среды, указав, что она убирает многие источники помех, присутствующие на Земле.
«Благодаря отводу лишнего тепла из резонаторной системы в гораздо более холодный космос, оптический резонатор можно дополнительно охладить без криостата и другой аппаратуры до 16 кельвинов. При таком градусе кремний не расширяется и не сжимается при малых температурных изменениях, что гарантирует неизменное расстояние для света между зеркалами», — сказал ученый.
Исследователи заявляют, что подобная стабильность критически важна, так как даже незначительные физические сдвиги способны менять частоту лазерного луча. На спутнике же такие колебания будут серьезно ослаблены.
Система будет работать через настройку стандартного лазера на резонансную волну кремниевого резонатора. После стабилизации лазер станет опорным сигналом для ориентирования и отсчета времени на лунной поверхности.
Точность выше земной
Данная технология позволит создать систему локации на территории Луны, похожую на GPS на Земле.
Она также способна помогать при посадке космических аппаратов в зонах с плохой видимостью и служить ориентиром для оптических атомных часов вне Земли.
«Множество копий подобных лунных лазеров смогут точно измерять промежутки между объектами и возможно обнаруживать необычные физические эффекты, например колебания пространства-времени» — заявляют специалисты.
Исследователи также полагают, что сеть таких установок может поддерживать будущие опыты по поиску гравитационных волн, отслеживая мельчайшие изменения дистанции между лунными приборами.
Поверхность Луны в высоком разрешении. Фото NASA. Источник: root-nation.com
Развертывание предполагает установку заранее собранных оптических кремниевых полостей внутри зон вечной тени с помощью роботов или астронавтов во время предстоящих миссий «Артемида». Затем рядом будет расположен лазерный источник, соединенный с резонатором для сохранения стабильности частоты.
При успехе система может стать основой лунного эталона времени и позволить создать высокоточные оптические сети связи Земля-Луна. По оценкам ученых, первые тесты могут пройти на низкой околоземной орбите в ближайшие годы, после чего последует запуск на спутник к концу десятилетия.
Голос пессимистов
Реализация подобного проекта потребует решения ряда инженерных задач, выходящих за рамки чисто оптических. Доставка и развертывание высокоточного кремниевого резонатора в условиях лунной поверхности — нетривиальная логистическая операция. Роботизированные системы или астронавты должны будут работать в экстремально низких температурах, где обычные смазки и электроника выходят из строя. Кроме того, хотя лунная сейсмическая активность мала, микрометеоритная бомбардировка и термические напряжения при случайном попадании рассеянного света могут вносить искажения. Поэтому потребуется разработка специальных защитных кожухов и систем активной компенсации вибраций, способных функционировать без постоянного присутствия человека.
Параллельно с технической стороной встает вопрос синхронизации. Один лазерный источник, даже сверхстабильный, не создаст глобальной навигационной сети. Для полноценной системы, аналогичной лунному GPS, потребуется разместить как минимум три-четыре таких установки на разных широтах и долготах спутника. Это позволит триангулировать положение роверов и посадочных модулей с точностью до сантиметров. Каждая установка должна быть связана с другими посредством оптической связи, формируя единую сеть, где лазеры служат не только источниками сигнала, но и ретрансляторами данных. Такая инфраструктура превратит Луну в гигантскую лабораторию для проверки релятивистских эффектов и гравитационных моделей.
Глобальный научный потенциал проекта
Научный потенциал сети выходит далеко за рамки навигации. Стабильность лазерных частот на уровне 10^-18 и выше позволит проводить эксперименты по проверке постоянства фундаментальных констант. Например, малейшие флуктуации скорости света или тонкой структуры атомов будут зафиксированы за счет сравнения хода оптических часов, расположенных на разных концах лунной базы. Если сеть охватит несколько сотен километров, она станет чувствительным детектором гравитационных волн в диапазоне частот, недоступном для земных установок LIGO и Virgo. Луна, лишенная сейсмического шума океанов и промышленных вибраций, даст уникальное окно в физику пространства-времени.
Не следует сбрасывать со счетов и прикладную ценность для освоения дальнего космоса. Стабильный лазерный маяк на Луне может служить реперной точкой для автономной навигации межпланетных зондов. Вместо радиосигналов, которые задерживаются и подвержены помехам от Солнца, сверхточный лазерный луч позволит космическим аппаратам на подходе к системе Земля—Луна корректировать свой курс с беспрецедентной точностью. Это особенно критично для миссий к астероидам или Марсу, где ошибка в десятки метров на финальном этапе может стоить всей экспедиции.
Наконец, внедрение такой технологии создаст прецедент для будущего строительства на других небесных телах. Если удастся развернуть кремниевый резонатор в лунной воронке, этот опыт можно будет масштабировать для марсианских кратеров или даже для орбитальных станций в точках Лагранжа. Каждый такой шаг будет приближать человечество к созданию единой сверхстабильной системы позиционирования и хронометража, охватывающей всю Солнечную систему. В этом смысле проект становится не просто научным экспериментом, а фундаментом для будущей космической инфраструктуры, где время и пространство измеряются с точностью, немыслимой на Земле.
Об истории покорения космоса, забытых артефактах, ставших лунным мусором, о космической технике и технологиях не раз писал наш журнал «Химагрегаты». К примеру, интересный факт — стоимость доставки объема воды, необходимого одному космонавту в день, сопоставима с ценой автомобиля: пять литров обходятся в сумму, равную стоимости подержанного BMW.