Wissenschaftler schlagen Laser im Schatten von Mondkratern vor

Das Konzept nutzt Mondkrater aus, die niemals Sonnenlicht erhalten. In diesen Regionen herrscht permanente Dunkelheit bei Temperaturen nahe 50 Kelvin. Forscher gehen davon aus, dass solche Bedingungen Vibrationen, thermisches Rauschen und Oberflächeninstabilitäten minimieren, die auf der Erde hochpräzise optische Systeme stören.

Zentraler Bestandteil des Vorschlags ist ein optischer Silizium-Hohlraumresonator. Dieses Gerät lässt nur bestimmte Lichtfrequenzen zwischen zwei Spiegeln resonieren und stabilisiert dadurch die Ausgabe eines daran gekoppelten Lasers. Das Ziel ist die Erzeugung eines Lasers mit einer extrem stabilen Frequenz, der im Laufe der Zeit nicht driftet.

Der Mond bietet Vorteile, die bodengestützte Labore nicht bieten können. Das Fehlen einer Atmosphäre, die reduzierte seismische Aktivität und das stabile thermische Umfeld machen ihn zu einem vielversprechenden Standort für Präzisionsmesssysteme, die auf extreme Stabilität angewiesen sind.

Der Physiker Jun Ye vom National

Der Physiker Jun Ye vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und JILA erläuterte die einzigartigen Bedingungen in den beschatteten Kratern.

Er betonte, dass diese Umgebung viele auf der Erde vorhandene Störquellen eliminiert. „Indem das System jegliche Restwärme aus der optischen Hohlraumstruktur in den viel kälteren Abgrund des Weltraums abstrahlt, kann die Struktur weiter abgekühlt werden – ohne Kryostaten oder andere Ausrüstung – auf eine Temperatur von 16 Kelvin," so Ye.

Bei dieser Temperatur dehnt sich Silizium weder aus noch zieht es sich zusammen, selbst bei geringfügigen Temperaturschwankungen. Dies gewährleistet, dass das im Resonator eintretende Licht stets exakt dieselbe Strecke zwischen den beiden Spiegeln zurücklegt.

Was die Studie zeigt

Die Forscher betonen, dass diese Stabilitt entscheidend ist, da selbst kleinste physikalische nderungen die Laserfrequenz verndern knnen. Auf dem Mond sind solche Schwankungen deutlich geringer. Das System funktioniert, indem ein handelsüblicher Laser auf die Resonanzfrequenz des Silizium-Resonators gesperrt wird.

Sobald stabilisiert, kann der Laser als Referenzsignal für Navigation und Zeitmessung über die gesamte Mondoberfläche hinweg dienen. Die vorgeschlagene Technologie könnte ein mondumfassendes Positionierungssystem ermöglichen, das dem terrestrischen GPS entspricht.

Zusätzlich könnte das System Landungen geringer Sichtweite unterstützen und als Referenz für optische Atomuhren dienen, die jenseits der Erde eingesetzt werden. Mehrere Kopien solcher Mondlaser könnten Entfernungen zwischen Objekten präzise messen und möglicherweise exotische physikalische Phänomene wie Raumzeit-Rippen nachweisen.

Was die Studie zeigt

Forscher schlagen zudem vor, dass ein Netzwerk solcher Systeme zuknftige Experimente zur Gravitationswellendetektion untersttzen knnte, indem es winzige nderungen der Distanz zwischen Mondinstrumenten verfolgt.

Die Implementierung würde das Platzieren vorab montierter optischer Siliziumkavitäten in permanent beschatteten Kratern mittels robotischer Systeme oder Astronauten im Rahmen zukünftiger Artemis-Missionen umfassen. Anschließend würde eine Laserquelle in der Nähe positioniert und mit der Kavität synchronisiert, um die Frequenzstabilität aufrechtzuerhalten.

Falls erfolgreich, könnte das System die Grundlage für einen Mondzeitstandard bilden und hochpräzise optische Kommunikationsnetze zwischen Erde und Mond ermöglichen. Forscher schätzen, dass erste Demonstrationen bereits innerhalb weniger Jahren auf niedrigen Erdumlaufbahnen stattfinden könnten, gefolgt Mond gegen Ende dieses Jahrzehnts.

Die Studie erscheint in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences".