Un laser interplanetar de mare precizie

În prezent, domeniul de utilizare al laserelor de precizie este limitat la distanţa dintre Pământ şi Lună. Sistemele actuale sunt bazate pe utilizarea laserelor pasive, ceea ce provoacă o scădere a semnalului pe distanţa R proporţională cu inversul distantei R la puterea a patra.

Un laser interplanetar, de precizie, ar putea ajunge până la Marte şi chiar mai departe.

Într-un nou studiu, fizicienii au conceput un sistem care are un domeniu de măsură mai mare de mii de ori decât această distanţă datorită faptului că acesta utilizează un laser activ pentru care intensitatea semnalului se reduce cu distanţa proporţional cu inversul distanţei la puterea a doua. Noul sistem are, de asemenea, posibilitatea de a obţine o precizie mai bună, mai mică decât cea a milimetrilor, obţinându-se o îmbunătăţire generală a performanţei care este mai bună cu trei ordine de mărime fata de cea a celor mai performante sisteme actuale de măsurători spaţiale.

Oamenii de ştiinţă, Yijiang Chen, Kevin M. Birnbaum şi Hamid Hemmati din cadrul California Institute of Technology's Jet Propulsion Laboratory din Pasadena, California, au publicat studiul lor referitor la un sistem laser de înaltă precizie, având o rază lungă de acţiune, într-o ediţie recentă a Applied Physics Letters.

Diagrama spaţiu-timp a unui semnal laser activ utilizat pentru determinarea distanţei dintre Pământ şi o altă planetă din Sistemul Solar. În scopul de a extinde domeniul de utilizare a laserului pentru distanţe tot mai mari, sistemul utilizează emiţătoare-receptoare cu lasere la ambele capete ale liniei de transmisie, astfel încât fiecare capăt poate recepţiona un semnal mult mai intens decât în cazul transmiţătoarelor pasive. Credit: Chen, et al. ©2013 AIP Publishing LLC.

„În principiu, această soluţie ar putea fi aplicată pentru orice distanţă interplanetară prin creşterea dimensiunii telescoapelor", a declarat Birnbaum pentru Phys.org. „Am calculat că distanţa dintre Pământ şi Marte sau dintre Pământ şi Jupiter ar trebui să poată fi măsurată utilizând telescoape, destul de modeste, având 1 m în diametru, aflate pe Pământ sau cu telescoape de 15 cm în diametru aflate pe staţiile spaţiale".

În cazul noii scheme de utilizare a sistemelor de măsură a distanţelor interplanetare, există un transmiţător la fiecare capăt al distanţei ce se măsoară. Fiecare transmiţător transmite şi primeşte impulsuri laser. Impulsurile laser sunt identificate prin momentul când au transmise şi când au fost recepţionate, iar timpul necesar impulsurilor laser pentru a străbate distanţa dintre transmiţătoare este utilizat pentru a măsura distanţa dintre ele. Utilizarea acestor „transmiţătoare active" reprezintă soluţia pentru obţinerea de măsurători precise, la mare distanţă, utilizând semnale laser, explică oamenii de ştiinţă.

„Utilizarea metodelor de măsură ce utilizează frecvenţe radio este limitată de incertitudinile privind mediul de propagare care poate încetini undele radio într-o măsură variabilă", a spus Birnbaum. „Efectele induse de mediu, spaţiul dintre nava spaţială şi terminalul de sol nu este complet vid, sunt mai mici pentru frecvenţele din domeniul optic".

„Comparativ cu tehnologiile optice actuale, soluţia o reprezintă faptul că noi utilizăm unui transmiţător activ. În prezent, măsurarea distanţelor prin metodele optice se realizează cu ajutorul luminii ce cade pe o ţintă pasivă, un reflector. Această metodă este foarte eficientă pentru distanţe egale sau mai mici decât distanţa Pământ-Lună, dar aceasta este, pur şi simplu, neaplicabilă în cazul distanţelor interplanetare, deoarece planetele sunt de mii de ori mai îndepărtate decât Luna. Cantitatea de lumină scade proporţional cu inversul distantei la puterea a patra, deci semnalul ar fi de mii de miliarde de ori mai slab în cazul în care aţi încerca să folosiţi aceleaşi sisteme pasive pentru a măsura distanţa dintre planete. Noi utilizăm transmiţătoare cu laser la ambele capete, astfel încât fiecare capăt poate recepţiona un semnal mult mai puternic".

Birnbaum adaugă că sursa laser nu este mai puternică decât cele utilizate în prezent.

„Laserele utilizate nu trebuie să fie foarte puternice", a spus el. „Laserele disponibile comercial au energia impulsurilor suficient de mare şi intensitatea luminii, atunci când aceasta este emisă, poate fi suficient de scăzută încât chiar nu este periculoasă pentru ochi. Soluţia este de a avea un receptor foarte sensibil şi o metodă de a selecta fotonii „semnal" din lumina de fundal".

Oamenii de ştiinţă au testat această soluţie prin experimente de laborator şi teste de câmp desfăşurate pe Pământ. Ei au măsurat abateri de precizie, în ceea ce priveşte distanţa reală, care nu depăşesc 0,14 mm, valoare mai mică decât cea de 1 mm pe care şi-au stabilit-o ca obiectiv. Deşi abaterile datorate turbulenţelor atmosferice din atmosfera Pământului vor creşte într-o mică măsură eroarea măsurătorilor, oamenii de ştiinţă cred că această eroare poate fi limitată la mai puţin de 1 mm.

Cele mai mari dificultăţi privind realizarea unor lasere de precizie, cu rază lungă de acţiune, sunt legate de procesul de sincronizare a transmiţătoarelor şi eliminarea semnalelor luminoase parazite. Cercetătorii doresc să depăşească aceste provocări tehnologice prin utilizarea unei noi scheme de sincronizare ce presupune obţinerea de comunicaţii laser interplanetare şi utilizarea de impulsuri laser de scurtă durată, având o rată de repetiţie scăzută. În viitor, cercetătorii doresc să testeze sistemul la o scară ceva mai mare.

„După ce am demonstrat aplicabilitatea acestei metode în laborator şi între două terminale de la sol, am dori să trecem la următorul pas prin realizarea unei măsurători între un emiţător-receptor montat pe un avion şi unul pe teren", a spus Birnbaum. „Apoi putem trece la domeniul de măsură dintre un terminal de la sol şi o navă spaţială".

Acest salt uriaş în ceea ce priveşte domeniul de aplicare al dispozitivelor laser ar putea avea multe aplicaţii. Una dintre primele aplicaţii ar putea fi cea legată de rezolvarea enigmei privind compoziţia interiorului planetei Marte. Încă din 1970, oamenii de ştiinţă au încercat să afle dacă interiorul acestei planete este lichid sau solid, dar încercările lor au fost împiedicate de precizia limitată a măsurătorilor realizate prin semnalele de radiofrecvenţă. În cazul în care noua soluţie propusă de măsurare va fi aplicată în cadrul unei viitoare misiuni către planeta Marte, în special pentru sondele ce vor observa această planetă, ea are potenţialul de a obţine un răspuns la această întrebare.

Domeniul de aplicabilitate al laserelor de precizie interplanetare ar putea permite, de asemenea, desfăşurarea unor noi teste privind fizica fundamentală, inclusiv teste ale principiului de echivalenţă, accelerarea aparentă a Universului în expansiune şi chiar posibila verificare a existenţei extra-dimensiunilor spaţiului. Noul sistem laser ar putea permite, de asemenea, efectuarea de teste privind gravitaţia, care ar putea duce la descoperirea unei încălcări sau a unei extinderi a relativităţii generale sau prezenţa unei interacţiuni suplimentare cu rază lungă de acţiune.

În cele din urmă, sistemul laser propus ar putea permite efectuarea diferitelor teste asupra planetelor şi a altor corpuri din alte sisteme solare care ar putea evidenţia şi permite înţelegerea evoluţiei lor, aruncând o lumină asupra atmosferelor, oceanelor şi inelelor de materie ce le înconjoară. Aceste măsurători se bazează în prezent pe tehnici ce utilizează semnale de radiofrecvenţă care au o precizie limitată.