Lasere i rummet – Jordmissionen tester ny teknologi

Forestil dig at stå på taget af en bygning i Los Angeles og prøve at pege en laser så præcist, at du kan ramme en bestemt bygning i San Diego, mere end 100 miles (160 kilometer) væk. Denne nøjagtighed er påkrævet for den bedrift, som en ny teknologidemonstration ombord på den snart lancerede Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) mission vil sigte mod at opnå. For første gang, en lovende teknik kaldet laserafstandsinterferometri vil blive testet mellem to satellitter.

GRACE-FO, planlagt til lancering 19. maj viderefører den rige arv fra den originale GRACE-mission, som blev lanceret i 2002 på en planlagt femårig mission og afsluttede operationer i oktober 2017. Blandt dets indsigter, GRACE transformerede vores forståelse af det globale vandkredsløb ved at vise, hvordan masser af flydende vand og is ændrer sig hver måned. Missionen tilføjede også vores viden om store ændringer i den faste jord. GRACE-FO vil give kontinuitet for GRACEs skelsættende målinger i mindst yderligere fem år, yderligere forbedring af den videnskabelige forståelse af jordsystemets processer og nøjagtigheden af ​​miljøovervågning og prognoser.

Hvordan fungerede GRACE?

GRACE opnåede sine data om bevægelsen af ​​Jordens masse ved præcist at måle små ændringer i afstanden mellem to rumfartøjer, der fløj efter hinanden rundt om Jorden. Da satellitterne stødte på en ændring i fordelingen af ​​Jordens masse - såsom en bjergkæde eller masse af underjordisk vand - ændrede Jordens tyngdekraft på rumfartøjet afstanden mellem dem. Himalaya bjergene, for eksempel, ændret adskillelsesafstanden med omkring tre hundrededele af en tomme (80 mikrometer). Ved nøjagtigt at beregne hver måned, hvordan satellitternes adskillelsesafstand ændrede sig under hver bane og over tid, det var muligt at detektere ændringer i Jordens massefordeling med høj præcision.

Måling af ændringen i adskillelsen mellem rumfartøjerne var muligt med en høj grad af præcision, fordi hvert rumfartøj transmitterede mikrobølger mod det andet. Den måde, hvorpå bølgerne interagerede med hinanden - måden de interfererede med hinanden - skabte et mikrobølgeinterferometer i rummet. Denne proces transformerede i det væsentlige de to rumfartøjer til et enkelt instrument, der meget præcist kunne måle afstandsændringen mellem dem, hvilket igen kan relateres til ændringer i massefordelingen på Jorden.

Hvad er nyt ved GRACE-FO?

GRACE-FO arbejder efter de samme principper. Hvert rumfartøj bærer igen et mikrobølgeinstrument til at spore ændringer i separationsafstanden. Men GRACE-FO rummer også noget nyt:en teknologisk demonstration af et laserafstandsinterferometer (LRI), i fællesskab styret af NASA's Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, og Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert-Einstein Institut) i Hannover, Tyskland. Ud over at transmittere mikrobølger mellem hinanden, GRACE-FO satellitterne vil stråle lasere mod hinanden.

Da bølgelængderne i en laserstråle er væsentligt kortere end mikrobølgelængder, laserafstandsinterferometeret vil forbedre sporingspræcisionen af ​​adskillelsesændringer – ligesom måling i millimeter i stedet for centimeter ville være mere præcis. GRACE-FO's interferometer vil registrere ændringer i afstanden, der er mere end 10 gange mindre end hvad mikrobølgeinstrumentet registrerer - ændringer i størrelsesordenen 100 gange smallere end et menneskehår.

"Med GRACE-FO, vi tager noget banebrydende fra laboratoriet og gør det klar til rumflyvning, " sagde Kirk McKenzie, LRI-instrumentchefen hos JPL. "Grunden til, at vi bruger årtier på at arbejde i laboratoriet, er at se vores teknologi muliggøre en ny type måling og resultere i videnskabelige opdagelser."

Hver GRACE-FO-satellit vil være i stand til at detektere den andens lasersignal. Men det er ikke nogen let bedrift. Hver laser har kraften til omkring fire laserpointere og skal detekteres af et rumfartøj i gennemsnit 137 miles (220 kilometer) væk. Selv den ultrapræcise samling af satellitterne er ikke nok til at garantere, at laseren transmitteret fra hvert rumfartøj vil være justeret godt nok til at ramme det andet rumfartøj.

Som resultat, McKenzie forklarer, første gang laserafstandsinterferometeret tændes, komponenterne i LRI'en på hvert rumfartøj skal udføre en scanning for at udsende instrumentets signaler og forsøge at "fange" den andens signaler i alle mulige konfigurationer. Rumfartøjet har så mange mulige konfigurationer, det tager ni timer. I et millisekund ud af disse ni timer, der vil være et blink på begge rumfartøjer for at vise, at de taler med hinanden. Efter denne signalopsamling finder sted én gang, interferometrets optiske forbindelse vil blive dannet, og derefter er instrumentet designet til at fungere kontinuerligt og autonomt.

"Vi prøver noget, der er meget hårdt - den første nogensinde demonstration af laserinterferometri i rummet mellem satellitter, sagde Gerhard Heinzel, instrumentchefen på Max Planck Instituttet. "Men det er meget tilfredsstillende at pusle over et problem og finde noget, der virker."

Sværhedsgraden af ​​opgaven krævede, at man skulle bruge forskellige ekspertiseområder. JPL overvågede laseren på interferometeret, måleelektronik og optisk hulrum. Max Planck Instituttet var ansvarlig for optikken, detektorer, spejle og stråledelere. GRACE-FO laserafstandsinterferometeret udnyttede også de to gruppers 15-årige historie med at samarbejde om teknologien bag ESA/NASA Laser Interferometer in Space Antenna (LISA) mission, som lanceres i begyndelsen af ​​2030'erne.

Hvorfor prøve noget så svært?

"Laserafstandsinterferometeret på GRACE-FO er potentielt en teknologi, der gør det muligt for fremtidige missioner rundt om Jorden eller endda at se på universet, " sagde Frank Webb, GRACE-FO's projektforsker ved JPL. "Denne nye, højere præcisionsmåling skulle muliggøre mere effektive missioner i fremtiden med lavere masse, effekt og omkostninger. Vi er ivrige efter at se, hvordan det klarer sig, og hvilke nye signaler, vi måske kan pirre ud af dataene."

Hvis det lykkes, denne nye teknologi, sammen med et forbedret accelerometer, lover at forbedre opløsningen af ​​fremtidige GRACE-FO-lignende missioner til bedre end 200 miles (300 kilometer) i diameter, gør det muligt for fremtidige missioner at spore og lokalisere ændringer i mindre vandområder, is og den faste jord.