Kratrarna på månens poler är i permanent skugga. Men de är också spännande platser, på grund av avlagringar av vattenis och andra material. ESA utvecklar idén till en rover som kan utforska dessa områden med kraft från lasrar.
Alla tror att de vet vad lasrar är: de är strålar av ljus. Tja, i princip, ja.
Laser står för Light Amplification by Stimulation of Electromagnetic Radiation. En laser är i grunden fokuserat ljus. Medan det mesta ljuset anses vara osammanhängande, är lasrar koherenta. De kan vara rumsligt koherenta, vilket innebär att strålen förblir fokuserad över långa avstånd utan att vidgas. Och de kan vara tidsmässigt koherenta, vilket innebär att de kan avge ljus i ett mycket smalt spektrum, i princip en färg.
Den första lasern uppfanns 1960 i USA. Nu används de till alla möjliga saker , bland annat inom astronomi. Observatorier använder laserpekare för att skapa laserledarstjärnor, som sedan används för att kalibrera adaptiv optik.
Laserguidestjärnan vid VLT. Bildkredit: Av G. Hüdepohl/ESO – http://www.eso.org/public/images/gerd_huedepohl_4/, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11683404
Lasrar har lagts fram som en typ av framdrivning av rymdskepp också. Teoretiskt sett skulle en tillräckligt kraftfull laser kunna användas för att driva rymdskepp genom solsystemet, i form av en laserdrivet ljussegel.
Men det här är första gången vi har hört talas om att använda en laser för att driva en rover på månen.
Idén kommer från European Space Agency (ESA) Upptäckt och förberedelse program. Målet med programmet är att 'lägga grunden för byråns framtida verksamhet på kort till medellång sikt.' Och på kort och medellång sikt står Månen definitivt på menyn.
Månen är inte som jorden. När jorden roterar runt sin axel upplever den uttalade årstider. Polarområdena känner dem mest. Ibland har polerna 24-timmars mörker, ibland 24-timmars ljus. Jordens axiella lutning är cirka 23,5 grader, medan månens är 1,5 grader mot ekliptikan.
Så på månen, på de högsta breddgraderna, står solen lågt vid horisonten, tack vare sin 1,5 graders lutning. Kratergolv kan vara i permanent skugga. Det är faktiskt en bra sak för oss, eftersom det finns vatten där . Men det är dåligt, för utan ljus är de svåra att utforska. Inga soldrivna rovers där.
Exponerad vattenis (gröna eller blå prickar) i månens polarområden och temperatur. Kredit: Shuai Li
NASA har lekt med idén om en rover som kan utforska de mörka kratrarna. Kallad HUGGORM , skulle den besöka skuggområden med batteridrift, men skulle behöva hitta solljus regelbundet för att ladda upp sig själv. Det är en ganska viktig begränsande faktor.
Om du överhuvudtaget följer roverdesign, så vet du att det i princip finns två alternativ för att driva dem: solenergi eller radioisotop termoelektriska generatorer (RTG), som fångar upp värmen från ett sönderfallande radioaktivt element för att skapa elektricitet. Plutonium 238 används oftast, och det är så MSL Curiosity fungerar.
Men enligt ESA kanske en RTG inte är det bästa valet för det här uppdraget. De producerar mycket värme, vilket kan försvåra studiet av is.
'Standardförslaget för en sådan situation är att utrusta rovern med kärnkraftsbaserade termoelektriska radioisotopgeneratorer', kommenterade ESA:s robottekniker Michel Van Winnendael. 'Men detta ger problem med komplexitet, kostnad och värmehantering - rovern kan värmas upp så mycket att prospektering och analys av isprover faktiskt blir opraktisk.'
Ett porträtt av NASA:s MSL Curiosity som gör sitt på Mars. Rovern drivs av en RTG, en radioisotop termoelektrisk generator. Men det kan generera för mycket värme för en rover konstruerad för att studera isavlagringar på månen. Bild: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Det är rollen för ESA:s Discovery and Preparation-program att tänka utanför ramarna och lösa kommande problem. För att göra det tittade de på saker som laserdrivna drönare, som DARPA's (Defense Advanced Research Project Agency) Silent Falcon . Det är en sol-elektrisk drönare som använder en laser för att ladda sina batterier och i teorin flyger för alltid.
'Som ett alternativ tittade denna studie på att utnyttja ett laserbaserat kraftsystem, inspirerat av markbaserade laserexperiment för att hålla drönare drivna och flyga i timmar i sträck', säger Van Winnendael.
Lasern som driver rovern skulle inte vara på jorden och inte heller i månbana. Det skulle vara på månens yta, mellan 4 till 15 km (2,5 till 9,3 miles) bort. Laserkraftkällan skulle själv vara soldriven.
ESA tilldelade ett kontrakt för att utveckla denna idé. De gav den till Italien Leonardo företag och Rumäniens nationella institut för forskning och utveckling för optoelektronik . Det handlar om både en landare och en rover. Landaren skulle vara någonstans nära sydpolens de Gerlache- och Shackleton-kratrar, på en plats med nästan permanent solljus. Därifrån skulle den stråla en 500 watt soldriven infraröd laser till en 250 kg (550 lb) rover. När rovern gick in i de skuggade områdena, skulle lasern hålla sig tränad på rovern.
Rovern själv skulle ta emot lasern på modifierade solpaneler och omvandla den till el. Fotodioder på sidorna av solpanelerna skulle styra laserns sikte.
Den 10 månader långa studien, kallad PHILIP (Powering rovers by High Intensity Laser Induction on Planets), inkluderade att hitta rätt vägar för att få allt att fungera. De letade efter vägar ner i kratrar som hade en svag lutning på 10 grader, och som skulle hålla rovern i kontakt med lasern.
En bild från PHILIP-studien som visar uppdragets landningsplats och tre PSR, Permanently Shadowed Regions, mellan de Gerlache och Shackleton-kratrarna. Kanten av Shackleton Crater är det mörka området till höger. Bildkredit: ESA/Leonardo
Lasern skulle också kunna fungera dubbelt som en kommunikationsenhet, enligt ESA. Den skulle kunna användas som en tvåvägskommunikationslänk. Den andra av roverns två paneler kunde ha en retroreflektor, som skulle skicka ljuspulser som signaler tillbaka till landaren.
ESA har redan gjort det gjort några tester . De använde Teneriffa, en av Kanarieöarna, för att arbeta med idén att köra rovers i nästan permanent mörker. Även om laserframdrivning inte har testats där än, kan det bli det i framtiden.
'När PHILIP-projektet är avslutat är vi ett steg närmare att driva rovers med lasrar för att utforska månens mörka delar', säger ESA:s Van Winnendael. 'Vi är i det skede där prototypframställning och testning kan börja, som genomförs av uppföljande ESA-teknologiprogram.'
Mer:
- Pressmeddelande: Laserdriven rover för att utforska Moons mörka skuggor
- DETTA: Drivning av rovers med högintensiv laserinduktion på planeter (PHILIP)
- Universum idag: Vi skulle kunna bygga en kraftfull laser och låta alla civilisationer inom 20 000 ljusår veta att vi är här. Fast... Ska vi?