Międzyplanetarny laser pomiarowy

[KopalniaWiedzy.pl 357]

W ostatnim numerze Applied Physics Letters opisano długodystansowy wysoce precyzyjny system laserowy do pomiaru odległości pomiędzy planetami. Obecnie precyzyjne lasery są wykorzystywane do mierzenia odległości pomiędzy Ziemią a Księżycem.To systemy pasywne, w których spadek mocy sygnału wynosi 1/R⁴, gdzie R to odległość.

Yijiang Chen, Kevin M. Birnbaum oraz Hamid Hemmati z Jet Propulsion Laboratory proponują aktywny system, w którym spadek mocy sygnału wynosi jedynie 1/R². Nadawałby się on zatem do pomiarów na znacznie większe odległości. Nowy system charakteryzuje dokładność pomiaru poniżej milimetra. Jak zapewniają uczeni z JPL, wydajność ich systemu jest o ponad trzy rzędy wielkości lepsza od wydajności obecnie stosowanych najbardziej zaawansowanych laserowych systemów do pomiaru odległości w przestrzeni kosmicznej.

Technikę tę można skalować do dowolnej odległości pomiędzy planetami zwiększając rozmiary teleskopu. Obliczyliśmy, że pomiar odległości pomiędzy Ziemią a Marsem lub Jowiszem może zostać dokonany za pomocą teleskopu o średnicy 1 metra umieszczonego na Ziemi lub 15 centymetrów, umieszczonego na pokładzie pojazdu kosmicznego - mówi Rimnbaum.

Nowa technika zakłada wykorzystanie na każdym końcu mierzonego dystansu odbiornika-nadajnika. Każdy z nich nadaje i odbiera impulsy lasera. Pomiar czasu podróży impulsu świetlnego pozwoli na mierzenie odlgełości.

Obecnie optyczne pomiary odległości są dokonywane dzięki odbijaniu światła lasera od pasywnego celu. To bardzo efektywna technika przy pomiarach odległości Ziemia-Księżyc, ale nie sprawdzi się w przypadku planet, gdyż znajdują się one tysiące razy dalej niż Księżyc. Spadek siły sygnału to 1/R⁴, zatem sygnał taki, jeśli chcielibyśmy użyć go to pomiaru odległości pomiędzy planetami, byłby biliardy razy słabszy. Proponujemy wykorzystanie na każdym końcu odbiorników-nadajników, dzięki czemu ujrzymy znacznie jaśniejszy sygnał - wyjaśnia Birnbum.

Uczony dodaje, że lasery nie muszą mieć dużej mocy. Komercyjne dostępne lasery charekteryzują się wystarczająco dużą energią i intensywnością impulsu. W momencie opuszczenia nadajnika sygnał może być na tyle słaby, że będzie bezpieczny dla oczu. Kluczem do sukcesu jest posiadanie bardzo czułego odbiornika oraz wykorzystanie metody odróżnienia fotonów z sygnału od światła tła.

Uczeni przetestowali swój system w laboratorium i poza nim na naszej planecie. Dokładność pomiaru wynosi 0,14 mm. Naukowcy sądzą, że atmosfera wpłynie negatywnie na dokładnośc, jednak utrzyma się ona poniżej 1 mm.

Największym problemem będzie zsynchronizowanie obu nadajników. Zostanie ono wykonane dzięki międzyplanetarnym laserom komunikacyjnym oraz krótkim rzadko wysyłanym impulsom laserowym. Naukowcy planują przeprowadzenie w przyszłości testów systemu synchronizowania.

Dokładne pomiary laserowe pozwolą np. stwierdzić, czy jądro Marsa jest stałe czy płynne, umożliwią przetestowanie wielu praw fizyki, takich jak np. zasada równoważności mówiąca, że masa bezwładna jest równoważna i równa masie grawitacyjnej. Naukowcy będą mogli też sprawdzić czy wszechświat rozszerza się coraz szybciej, czy istnieją dodatkowe wymiary sprawdzą też teorie opisujące grawitację. Badania takie mogą również rzucić nowe światło na naszą wiedzę dotyczącą ewolucji planet, atmosfery czy oceanów.

[Grzegorz Kraszewski 8]

A jak uczeni z JPL chcą osadzić taki laser na powierzchni Jowisza?

[seraph 2]

Obliczyliśmy, że pomiar odległości pomiędzy Ziemią a Marsem lub Jowiszem może zostać dokonany za pomocą teleskopu o średnicy 1 metra umieszczonego na Ziemi lub 15 centymetrów, umieszczonego na pokładzie pojazdu kosmicznego - mówi Rimnbaum.

Jak widzisz nie trzeba umieszczać lasera na powierzchni planety, co w przypadku Jowisza rzeczywiście byłoby nie możliwe. Taki laser na orbicie mierzyłby położenie względem planety, oraz odległości od niej i lasera na orbicie Ziemi.

[Sławko 101]

Tak, ale laser na orbicie rodzi więcej problemów. Trzeba dokładnie znać trajektorię lotu satelity i jeśli nie krąży on dokładnie po orbicie kołowej należy dokonać odpowiednich obliczeń - korekt.

[pogo 102]

@Sławko

Myślisz, że przy obecnej technologii to jakieś szczególne wyzwanie?

[Grzegorz Kraszewski 8]

Jak widzisz nie trzeba umieszczać lasera na powierzchni planety, co w przypadku Jowisza rzeczywiście byłoby nie możliwe. Taki laser na orbicie mierzyłby położenie względem planety, oraz odległości od niej i lasera na orbicie Ziemi.

Wtedy jednak można postawić pytanie: co właściwie mierzymy? Co prawda jest możliwe obliczenie orbit obu laserów, zapewne z dokładnością równą dokładności samego pomiaru laserowego i wtedy można pośrednio zmierzyć odległość między środkami masy obu planet. Obstawiam jednak, że w przypadku zarówno Ziemi jak i Jowisza te środki mas też się przesuwają, płynne jądra, wpływ księżyców, wpływ Słońca i innych planet... Czy ten milimetr dokładności nie okaże się trochę sztuką dla sztuki? Chyba, że astronomowie potrafią to wszystko uwzględnić w obliczeniach, a otrzymany wynik może się do czegoś przydać.

[tommy2804 1]

Ciekawa koncepcja. Na pewno taki system (po udoskonaleniach oczywiście) przyda się w przyszłości do np. "żeglugi" po naszym Układzie Słonecznym. Przy rozwijanych dużych prędkościach hipotetycznych przyszłych statków (zwłaszcza załogowych) precyzja pomiaru umiejscowienia czegoś w przestrzeni będzie dosyć istotna. Eksploracja naszego systemu to niestety jeszcze pieśń przyszłości i to dosyć odległej