Científicos investigan el potencial de las regiones permanentemente en sombra (RPS) de la Luna para albergar un resonador óptico ultraestable, una tecnología que podría revolucionar las mediciones de precisión en el espacio. Jun Ye, Zoey Z. Hu y Ben Lewis, de JILA, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Colorado Boulder, junto con Wei Zhang del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y Caltech, Fritz Riehle y Uwe Sterr del Physikalisch-Technische Bundesanstalt, demuestran cómo el frío extremo y el aislamiento de estas regiones podrían soportar una cavidad de silicio criogénica que exceda el tiempo de coherencia de los sistemas terrestres actuales en más de una década. Esta investigación es significativa porque un láser tan estable establece una infraestructura fundamental para numerosas aplicaciones, incluyendo un estándar de tiempo lunar, interferometría de línea de base larga y pruebas de física fundamental como la relatividad general, allanando el camino para tecnologías espaciales avanzadas.
Los investigadores estudiaron cavidades de silicio lunar como posibles ubicaciones para establecer estándares de frecuencia óptica extremadamente estables. La investigación se centró en el entorno térmico único dentro de estas cavidades, específicamente las regiones permanentemente en sombra (RPS) de la Luna, que representan algunos de los lugares más fríos conocidos en el Sistema Solar. Los investigadores buscaron determinar si estas RPS podrían proporcionar un entorno de temperatura estable adecuado para mantener las frecuencias precisas requeridas por futuros instrumentos científicos. El enfoque implicó el modelado del comportamiento térmico de las cavidades de silicio dentro de las RPS lunares, considerando factores como la transferencia de calor radiativa y la conducción.
Entre las contribuciones específicas se incluye un análisis detallado de la estabilidad de la temperatura alcanzable dentro de cavidades de silicio de 10 cm de diámetro, prediciendo temperaturas inferiores a 100 mK. Este trabajo sugiere la viabilidad de utilizar cavidades de silicio lunar para el desarrollo e implementación de relojes ópticos avanzados.
Científicos están investigando el potencial de las regiones permanentemente en sombra (RPS) de la Luna para futuras misiones de agencias espaciales. Además del potencial de ricas fuentes de recursos de las RPS y su proximidad a la energía solar perpetua para otros intereses científicos y estratégicos, este trabajo presenta un desarrollo conceptual para establecer un láser de coherencia de fase sin precedentes. El entorno físico único de las RPS lunares ofrece ventajas para dicho proyecto.
Una cavidad de silicio criogénica demuestra estabilidad a escala de minutos y tiempos de coherencia extendidos.
Los científicos se benefician enormemente de la construcción de una cavidad monolítica de silicio criogénico que exhibe una estabilidad limitada por el ruido térmico de bajo 10-18 y un tiempo de coherencia que supera el minuto, más de una década mejor que el mejor sistema terrestre actual. Un láser tan estable servirá para muchas aplicaciones, incluyendo el establecimiento de un estándar de tiempo lunar, la construcción de interferómetros ópticos de línea de base larga, la distribución de señales ópticas estables a través de una gran red de satélites y la formación de la base para redes cuánticas basadas en el espacio.
Las aspiraciones de desarrollar e implementar tecnologías cuánticas basadas en el espacio pueden facilitarse en gran medida teniendo acceso a láseres ultraestables que son clave para impulsar e interconectar sistemas cuánticos ópticamente activos. En tierra, los osciladores locales ópticos estables desempeñan muchos roles versátiles en, por ejemplo, relojes atómicos ópticos de última generación, pruebas de precisión de la física fundamental, interferometría óptica de línea de base larga, incluida la detección de ondas gravitacionales y redes ópticas para información clásica y cuántica.
Las cavidades de silicio criogénicas permiten los láseres de frecuencia estable con el mejor rendimiento, con una estabilidad de frecuencia fraccionaria de bajo 10-17 y una tasa de deriva lineal ultrabaja de mediados de 10-20/s. Las regiones permanentemente en sombra (RPS) de la Luna ofrecen condiciones de baja temperatura y alto vacío combinadas con un ruido vibracional excepcionalmente bajo.
Este entorno es ideal para soportar una cavidad óptica ultraestable con un rendimiento que supera a los mejores sistemas terrestres. Tener acceso a un oscilador óptico maestro de frecuencia estabilizado a la cavidad lunar forma la infraestructura básica para una variedad de experimentos espaciales, con una cascada de satélites que albergan láseres secundarios o sistemas cuánticos atómicos conectados en red a través de enlaces ópticos de fase estable.
Las RPS lunares son los sitios de aterrizaje elegidos para la misión Artemis liderada por la NASA y otras misiones internacionales debido a su probable riqueza de recursos que incluye hielo de agua, dióxido de carbono y helio-3, así como energía solar continua en picos cercanos de luz eterna. Sin embargo, el aterrizaje y la navegación cerca de las RPS presentan desafíos técnicos significativos. Los bajos ángulos de elevación del sol y las sombras extendidas limitan la capacidad de navegación óptica y relativa al terreno, lo que hace que el posicionamiento, la navegación y la sincronización de precisión (PNT) sean esenciales para aterrizar de forma segura cargas útiles y misiones tripuladas. Los investigadores proponen construir una cavidad de silicio criogénico ubicada en una RPS para aprovechar las condiciones físicas únicas de dicha cavidad de referencia óptica.
La temperatura criogénica ambiente de las RPS y el fácil acceso al enfriamiento radiativo desde el espacio profundo permiten una estrategia de enfriamiento simple y pasiva para alcanzar el cero del coeficiente de expansión térmica del silicio a 17 K. La extrema estabilidad térmica del aislamiento de la radiación solar permitirá una excepcional estabilidad de frecuencia a largo plazo del oscilador óptico.
El ruido sísmico lunar es órdenes de magnitud menor que en un laboratorio terrestre, lo que facilita un rendimiento robusto para una longitud de cavidad extendida para reducir la contribución del ruido térmico browniano fundamental. El alto vacío ambiente de las RPS también facilita el requisito de construcción de una cámara de cavidad.
En general, una vez que el material de la cavidad de silicio se transporta a la Luna, la ingeniería final del sistema será sencilla de implementar y, sin embargo, con perspectivas de rendimiento mucho mayores. Un láser maestro lunar altamente coherente puede servir para muchas tareas importantes para las exploraciones científicas y tecnológicas emergentes a través de experimentos basados en el espacio.
En ausencia de perturbación atmosférica, será mucho más fácil establecer un enlace óptico lunar-espacial que comenzar con un oscilador estable en la Tierra. La estabilidad de fase del láser lunar puede así transferirse con alta fidelidad a sistemas secundarios a bordo de varios grupos de satélites, lo que permite la construcción de interferómetros ópticos espaciales de línea de base larga.
Cada satélite con un láser a bordo puede tener su campo óptico bloqueado en fase con el láser maestro lunar, simplificando enormemente los sistemas de control de frecuencia a bordo de las redes de satélites utilizados para comunicaciones clásicas o cuánticas, así como para las necesidades de navegación y formación de vuelo. Los relojes atómicos de última generación dependen de osciladores locales de alto rendimiento y robustos. La estabilidad del reloj a menudo está determinada por la coherencia de fase del láser de accionamiento. Alojar una cavidad de referencia óptica estable a bordo de un satélite para acompañar su carga útil atómica sigue siendo una tarea técnicamente sofisticada. Con enlaces ópticos de fase estable establecidos entre satélites y la base del láser lunar, cualquier sistema atómico a bordo puede convertirse rápidamente en relojes atómicos ópticos y beneficiarse de la coherencia de fase sin igual del láser lunar.
Otro resultado natural que sigue al láser lunar estable es la base para un reloj atómico óptico para un estándar de tiempo lunar. La excepcional estabilidad de frecuencia a largo plazo de la cavidad de silicio lunar es, por sí sola, suficiente para una amplia gama de aplicaciones. Con un rendimiento inferior a 10-15 en una escala de tiempo de 1 día, la cavidad de silicio puede proporcionar fácilmente una referencia para cualquier requisito de PNT y formar la base del Tiempo Lunar Coordinado (LTC).
Sin embargo, para obtener una estabilidad a largo plazo aún mayor, se podría agregar un estándar atómico. Solo se requeriría una dirección de baja frecuencia, lo que permitiría que el estándar atómico se ubicara en cualquier lugar dentro de la red conectada a la cavidad. Esta propuesta aborda así una necesidad crítica de establecer un LTC independiente que sirva como piedra angular de la futura infraestructura PNT de la Luna.
El éxito de esta misión marcará un hito histórico, demostrando la capacidad de la humanidad para construir una infraestructura cuántica fundamental en otro cuerpo celeste, junto con el establecimiento de una presencia permanente en la Luna. Este logro puede tener profundas implicaciones para futuras misiones a Marte y al espacio profundo, donde la infraestructura de sincronización terrestre es casi imposible de acceder, lo que hace que el establecimiento de una referencia de tiempo local independiente sea la única solución viable.
El eje de rotación de la Luna es casi perpendicular a su plano orbital alrededor del Sol, lo que hace que los cráteres cerca de los polos lunares permanezcan en sombra permanente. Estas regiones, conocidas como RPS, han eludido la luz solar durante miles de millones de años. Combinado con la falta de calentamiento interno del núcleo inactivo de la Luna y el bajo calor residual, las RPS son algunos de los lugares más fríos conocidos en todo el Sistema Solar.
Con el tiempo, grandes cantidades de compuestos volátiles, como hielo de agua, helio y dióxido de carbono, se han atrapado dentro de las RPS. La extracción y utilización de estos recursos es fundamental para la exploración continua del espacio profundo, lo que permite que la Luna sirva como una base humana comercial sostenible, un puesto de reabastecimiento de combustible y un banco de pruebas para tecnologías antes de implementarlas en otros planetas como Marte.
Sin embargo, el aterrizaje de cargas útiles cerca de las RPS presenta importantes desafíos. En ausencia de un sistema de navegación satelital global similar al terrestre, el aterrizaje basado en la visión sigue siendo uno de los pocos métodos de navegación confiables. Sin embargo, debido a que el ángulo de incidencia solar cerca de las RPS es casi paralelo a la superficie, los objetos proyectan sombras extremadamente largas, lo que crea obstáculos importantes para el aterrizaje lunar de precisión.
Una escala de tiempo local resolverá este problema. Los investigadores resumen que el entorno de las RPS (Tabla I) es ideal para implementar una escala de tiempo basada en una cavidad de silicio criogénico, cerca de futuras bases humanas permanentes, utilizando las condiciones naturalmente libres de mantenimiento de las RPS. El entorno térmico de las RPS del polo sur se ha monitoreado durante más de una década a través del teledetección del Orbitador de Reconocimiento Lunar de la NASA, que varía de aproximadamente 20 K en invierno a 60 K en verano.
Las variaciones estacionales están impulsadas principalmente por la inclinación axial de 1,5° de la Luna con respecto al plano orbital Tierra-Sol. Debido al lento movimiento de esta inclinación y al extremo aislamiento de las RPS, los cambios de temperatura son graduales y altamente predecibles, aproximadamente 50 mK por día. Para enfriar y estabilizar térmicamente la cavidad de silicio, los ingenieros diseñarán el acceso al enfriamiento radiativo del espacio profundo.
Este método de enfriamiento pasivo está libre de vibraciones y criógenos y se ha utilizado ampliamente en misiones espaciales, como el Telescopio Espacial James Webb y el conjunto sísmico del lado lejano. La Figura 1 ilustra el diseño conceptual de la cámara de cavidad conectada al primer radiador que se enfría a 30, 40 K. El escudo activo conectado al segundo radiador es de aproximadamente 16 K, controlado por un servomotor de temperatura activo.
Para adaptarse al ciclo de temperatura de las RPS de 20, 60 K del invierno al verano, se utilizará un interruptor térmico para ajustar la potencia de enfriamiento del primer radiador, para mantener la potencia de calefacción necesaria para el escudo activo por debajo de 0,25 W. El escudo pasivo proporciona una constante de tiempo larga para el equilibrio térmico de la cavidad de silicio, que se estabiliza en el cruce por cero del coeficiente de expansión térmica a aproximadamente 17 K.
Esta estrategia de enfriamiento completamente pasiva se basa en el entorno criogénico natural de la Luna y el espacio profundo (2,7 K). La débil gravedad de la Luna evita que retenga una atmósfera sustancial, lo que resulta en un vacío natural mantenido. Las mediciones directas de las misiones Apolo registraron una presión neutral de la superficie de aproximadamente 10-6 Pa durante el día lunar y 10-7 Pa por la noche.
Dado que la principal fuente de gas residual en la Luna es la interacción del viento solar, se espera que el vacío dentro de las RPS sea aún menor. Esta inferencia está respaldada por la persistencia de compuestos volátiles, como el hielo de agua, que han permanecido estables en las trampas frías de las RPS durante miles de millones de años. La ausencia de una atmósfera lunar elimina el ruido acústico por encima del suelo, y la Luna exhibe un fondo sísmico excepcionalmente bajo en comparación con la Tierra debido a su mínima actividad tectónica.
Múltiples misiones Apolo midieron directamente el fondo sísmico lunar. En ausencia de terremotos lunares, la vibración del suelo ambiente se encontró por debajo del piso de ruido del sismómetro, aproximadamente 0,3 nm a Hz, significativamente más silenciosa que cualquier sitio conocido en la Tierra. La vibración del suelo lunar puede ser causada por cuatro eventos principales: terremotos profundos, terremotos superficiales, terremotos térmicos e impactos de meteoritos.
Los terremotos térmicos son los más comunes, causados por la expansión y contracción térmica entre el día y la noche lunares, donde las temperaturas de la superficie pueden fluctuar hasta 300 K. La amplitud promedio de los terremotos térmicos es de aproximadamente 0,6 nm, con valores máximos alrededor de 6 nm, sustancialmente más silenciosa que un laboratorio científico típico basado en la Tierra. Debido a que el entorno térmico dentro de las RPS es mucho más estable que en los sitios de aterrizaje Apolo, se espera significativamente menos terremotos térmicos dentro de las RPS.
La implementación lunar mejora la coherencia del láser y permite la metrología de precisión.
Los científicos proponen la construcción de un sistema láser ultraestable implementado dentro de las regiones permanentemente en sombra de la Luna, ofreciendo un salto sustancial hacia adelante en el tiempo de coherencia del láser. Este enfoque innovador aprovecha el entorno único frío y estable de estos lugares lunares para minimizar el ruido térmico, una limitación principal de los sistemas láser terrestres.
Se proyecta que el láser resultante mantenga la coherencia durante más de un minuto, superando el rendimiento de los sistemas terrestres actuales por un factor de diez. Un láser tan ultraestable establece una tecnología fundamental para una variedad de aplicaciones espaciales avanzadas. Estas incluyen la creación de un estándar de tiempo lunar preciso, la facilitación de la interferometría óptica de línea de base larga y la distribución de señales ópticas estables entre satélites.
Además, esta tecnología podría permitir pruebas más precisas de la relatividad general y la física gravitacional, y en última instancia servir como un componente crucial para las futuras tecnologías cuánticas basadas en el espacio. La distancia Tierra-Luna de solo un segundo luz significa que el tiempo de coherencia óptica supera significativamente esta escala, lo que permite la posible transmisión de una escala de tiempo altamente precisa de regreso a la Tierra a través de enlaces ópticos de espacio libre, sincronizando laboratorios de metrología a nivel mundial.
Los autores reconocen que la implementación y el mantenimiento de dicho sistema en el desafiante entorno lunar presentan importantes obstáculos de ingeniería. La investigación futura se centrará en refinar el diseño de la cavidad de silicio criogénico y desarrollar métodos robustos para su implementación y operación a largo plazo. A pesar de estos desafíos, los beneficios potenciales de un láser lunar ultraestable son significativos, allanando el camino para una nueva era de medición de precisión y tecnologías avanzadas en el espacio.
