Temperaturas de -223°C e escuridão eterna: Cientistas propõem instalar um GPS lunar a laser diretamente em crateras.

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) propuseram a instalação de lasers ultraestáveis ​​em crateras permanentemente sombreadas próximas ao polo sul lunar para criar um sistema de navegação semelhante ao Sistema de Posicionamento Global (GPS). Os autores imaginam os lasers como um sistema de cronometragem para a navegação de astronautas, veículos exploradores e espaçonaves sem depender de rastreamento terrestre.

Fonte da imagem: NASA

A ideia de um GPS lunar está ganhando força à medida que a NASA se prepara para as missões Artemis de longa duração. Anteriormente, cientistas propuseram satélites de navegação lunar, radiofaróis e relógios atômicos — tecnologias semelhantes ao GPS terrestre. O novo estudo adiciona um elemento incomum: lasers ultraestáveis ​​colocados em crateras perpetuamente escuras. Tal laser emite luz com uma frequência quase constante, permitindo a medição precisa de distâncias entre objetos e potencialmente útil para a construção de sistemas de navegação lunar.

As crateras sombreadas não recebem luz solar devido à leve inclinação do eixo lunar, e suas temperaturas chegam a -223 graus Celsius — mais frio que a superfície de Plutão. Essas mesmas depressões são consideradas há muito tempo potenciais reservatórios de água congelada para futuros assentamentos, e agora descobriu-se que o frio extremo também é adequado para sistemas a laser de alta precisão. Os autores propõem um ressonador óptico de silício — um dispositivo no qual um feixe de laser é refletido repetidamente entre dois espelhos instalados a uma distância estritamente fixa um do outro, o que garante a estabilidade da frequência.

Um laser ultraestável, acoplado a um ressonador óptico de silício em uma cratera permanentemente sombreada no polo sul da Lua, transmite um sinal através de repetidores para relógios atômicos ópticos em órbita e, em seguida, para a Terra, formando a base de uma rede de navegação semelhante ao GPS. Crédito da imagem: J. Ye / NIST, NASA

Na Terra, uma estrutura como essa requer resfriamento criogênico e isolamento de vibrações, mas dentro de uma cratera lunar, a natureza cuida disso: o frio extremo, o vácuo ultra-alto e a ausência de vibrações permitem que os ressonadores operem praticamente sem expansão térmica (alteração de tamanho com o aquecimento). “Assim que percebi o que as áreas permanentemente sombreadas poderiam oferecer, senti que era o ambiente perfeito para um laser ultraestável”, disse o autor principal, Jun Ye.

O princípio do GPS terrestre é simples: satélites transmitem continuamente sinais de tempo de relógios atômicos a bordo, e receptores calculam sua posição com base nos horários de chegada desses sinais de múltiplos satélites. A Lua não possui infraestrutura semelhante e, à medida que a atividade lunar aumenta, a dependência do rastreamento terrestre corre o risco de se tornar um gargalo — especialmente perto do polo sul, onde as condições de iluminação desafiadoras dificultam a navegação. Cientistas preveem que lasers em crateras sombreadas servirão como cronômetros de referência para satélites lunares e redes de comunicação e, juntamente com relógios atômicos de satélites, ajudarão a criar a base para o primeiro relógio atômico óptico em uma superfície extraterrestre, de acordo com uma declaração do NIST. Os resultados do estudo foram publicados em 8 de maio na revista Proceedings of the National Academy of Sciences.