Trajno zasjenjeni krateri na Mjesečevu južnom polu među najhladnijim su i najtamnijim mjestima u Sunčevu sustavu. Upravo bi ih ta ekstremna svojstva mogla pretvoriti u idealno mjesto za ultrastabilne lasere, tehnologiju koja bi budućim misijama omogućila navigaciju nalik GPS-u, precizno mjerenje vremena i možda čak detekciju gravitacijskih valova.
Prijedlog koji su Jun Ye i suradnici opisali u časopisu Proceedings of the National Academy of Sciences polazi od neobične prednosti Mjeseca: ondje nema atmosfere, seizmičkih poremećaja i svakodnevnih vibracija kakve smetaju najosjetljivijim mjernim sustavima na Zemlji.
Mjesto gdje hladnoća postaje prednost
Trajno zasjenjeni krateri nikada ne dobivaju izravnu Sunčevu svjetlost. Mnogi se nalaze u području Mjesečeva južnog pola, gdje se temperatura može spustiti na oko 50 kelvina, odnosno približno -223 stupnja Celzija. Za velik dio svemirske opreme takva je hladnoća ozbiljan inženjerski problem. Za optički rezonator od silicija, ključni dio ultrastabilnog lasera, ona bi mogla biti velika prednost.
Rezonator je u osnovi blok silicija s ogledalima na oba kraja. Svjetlost se u njemu odbija naprijed-natrag, ali samo određene frekvencije mogu ostati stabilne. Presudna je udaljenost između ogledala. Ako se ona i neznatno promijeni, mijenja se i frekvencija svjetlosti. Ako ostane gotovo savršeno ista, laser može zadržati iznimno stabilnu frekvenciju.
Na Zemlji takve sustave treba pažljivo štititi od vibracija, topline, zraka i sitnih poremećaja iz okoliša. U dubokoj sjeni Mjesečevih kratera dio tog posla obavlja samo okruženje. Vakuum je ondje još bolji nego na otvorenoj Mjesečevoj površini, a ekstremna hladnoća smanjuje sitne pomake zrcalnih površina.
Autori prijedloga navode da bi se rezonator mogao dodatno ohladiti tako da preostalu toplinu zrači prema hladnom svemiru. Temperatura bi se tako mogla spustiti na oko 16 kelvina. Na toj temperaturi silicij gotovo ne mijenja dimenzije ni pri vrlo malim temperaturnim promjenama. Za laser kojemu je potrebna stalna frekvencija to je presudno.
Laserski signal za slijetanje, vrijeme i položaj
Jednom kada bi se optički rezonator postavio u krater, komercijalno dostupan laser mogao bi se smjestiti u blizini, na rubu kratera ili unutar trajno zasjenjenog područja. Mali dio svjetlosti usmjerio bi se u rezonator, a zatim bi se frekvencija lasera zaključala na jednu od dopuštenih rezonantnih frekvencija.
Takav laser ne bi služio kao običan svjetlosni izvor. Bio bi referenca za vrijeme i položaj. U praksi bi mogao pomoći letjelicama da sigurnije slijeću u slabo osvijetljenim područjima oko južnog pola, gdje NASA i druge svemirske agencije planiraju buduće misije.
Ako bi se signal povezao s atomskim satovima na satelitima, Mjesec bi mogao dobiti temelj za prvi optički atomski sat na površini drugog nebeskog tijela. Takav sustav mogao bi se po preciznosti uspoređivati s najboljim optičkim atomskim satovima na Zemlji, kakve Ye i njegovi suradnici već razvijaju u laboratorijima.
U lunarnom kontekstu to nije samo pitanje preciznosti radi preciznosti. Što su mjerenja vremena točnija, to je bolja navigacija. Za buduće baze, rover misije, teretne letjelice i ljudske ekspedicije, pouzdano određivanje položaja moglo bi postati jednako važno kao komunikacija i energija.
Od Artemisa do mreže mjernih postaja
Ideja o laserskoj opremi spuštenoj u mračni Mjesečev krater na prvi pogled zvuči daleko od stvarne misije. No istraživači ističu da NASA već razmatra područja blizu trajno zasjenjenih kratera kao moguća odredišta za program Artemis. Ta su područja važna jer sadrže vodeni led i druge resurse koji bi mogli poduprijeti dugotrajniju prisutnost ljudi na Mjesecu.
Silicijev optički rezonator bio bi dovoljno malen da stane u letjelicu programa Artemis. Prema Wei Zhangu iz NASA-inog Laboratorija za mlazni pogon, uređaj bi se sastavio na Zemlji, a na Mjesecu bi trebalo rasklopiti njegove panele za zračenje topline. Rover bi zatim mogao spustiti rezonator u krater, daljinski ili mehanički upravljano.
Yiqi Ni iz tvrtke Lunetronic upozorava da slijetanje u polarnim područjima neće biti jednostavno. Slaba osvijetljenost otežava operacije, ali upravo su ta područja u središtu planova za dugoročno istraživanje Mjeseca.
Prema njegovoj procjeni, demonstracija silicijskog optičkog rezonatora u niskoj Zemljinoj orbiti mogla bi biti moguća u roku od dvije godine. Postavljanje na Mjesečevu površinu moglo bi uslijediti u razdoblju od tri do pet godina, dok bi instalacija u trajno zasjenjeni krater tražila širu, koordiniranu suradnju više agencija.
Mjesec kao laboratorij za najpreciznija mjerenja
Najambiciozniji dio prijedloga odnosi se na mrežu takvih lasera. Ako bi se više ultrastabilnih laserskih sustava postavilo na Mjesecu, mogli bi iznimno precizno mjeriti udaljenosti između objekata na površini.
Takva preciznost otvara mogućnost da Mjesec postane velika prirodna platforma za mjerenje gravitacijskih valova.
Ti valovi, sitni poremećaji u prostorvremenu, pri prolasku bi neznatno mijenjali udaljenosti između mjernih točaka na Mjesecu. Na Zemlji se za takva mjerenja koriste golemi i iznimno osjetljivi instrumenti. Mjesec bi nudio drukčije uvjete: vrlo slab seizmički šum, vakuum i iznimno stabilno termalno okruženje.
Ye kaže da je ideja nastala tijekom razgovora o instrumentima koje bi misija Artemis mogla ponijeti i postaviti na Mjesečevu površinu. Isprva je zvučala kao “luda ideja”, ali iskustvo s optičkim silicijskim rezonatorima pokazalo je da nije nedostižna. Trajno zasjenjeni krateri nude upravo ono što takvom sustavu treba: ekstremnu hladnoću, mirno okruženje i gotovo savršen vakuum.
Mjesta koja su dosad bila važna ponajprije zbog vodenog leda sada se razmatraju i kao moguća središta najpreciznije lunarne infrastrukture. U njihovoj tami mogao bi raditi signal prema kojem će se buduće misije orijentirati, mjeriti vrijeme i možda bilježiti prolazak gravitacijskih valova kroz prostorvrijeme.
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
Izvori i publikacija
Lunar silicon cavity
Časopis / izvor: Proceedings of the National Academy of Science
