Das Team erstellt ein kompaktes Gerät, das Raumschiffen hilft, sicher auf Planeten zu landen

Ein von der NASA finanziertes Team unter der Leitung von SMU-Forschern glaubt, dass ihr kleines, leichtes Gerät, das zur Messung der Geschwindigkeit von Raumschiffen entwickelt wurde, die Chancen auf erfolgreiche Landungen auf dem Mars und anderen Planeten verbessern wird.

Kleiner, heißt es, ist räumlich besser.

Der vom Team gebaute optische Mikroresonator ist nur 2 Millimeter lang, verglichen mit dem am häufigsten in Raumfahrzeugen verwendeten Werkzeug zur Geschwindigkeitsüberwachung – dem Fabry-Perot-Interferometer– die bis zu 500 Millimeter lang sein kann. Die NASA und andere Weltraumbehörden können den Mikroresonator verwenden, um eine genaue und schnelle Messung der Geschwindigkeit eines Raumschiffs in eine bestimmte Richtung zu erhalten.

Die ersten Proof-of-Concept-Ergebnisse liegen vor veröffentlicht in dem AAIA-Journal.

„Jedes Gramm eines Geräts macht einen großen Unterschied darin, wie viel Treibstoff ich in einem Raumschiff haben muss und wie viele andere Gegenstände ich als Nutzlast in dieses Raumschiff aufnehmen kann“, sagte Volkan Ötügen von der SMU, einer der Schöpfer des optischen Mikroresonators .

Ötügen ist Senior Associate Dean der Fakultät für Maschinenbau an der Lyle School der SMU und Direktor des MicroSensor Laboratory der SMU. Das Gerät, das er und andere Forscher gebaut haben, verwendet ein Phänomen, das als „Whispering Gallery Mode“ bekannt ist.

Die Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs ist ein Schlüsselmaß während seines Abstiegs, da die Zeit zwischen dem Eintritt eines Raumschiffs in die Atmosphäre eines Planeten und seiner Landung normalerweise höchstens Minuten beträgt. Und kostspielige Unfälle wie der Absturz der europäischen Raumsonde Schiaparelli auf dem Mars unterstreichen, wie schnell eine Mission schief gehen kann, wenn die Raumsonde falsche Informationen erhält.

Nur 40 Prozent der Mars-Missionen – die von irgendeiner Weltraumbehörde gestartet werden – landen dort tatsächlich erfolgreich.

Funktionsweise des Mikroresonators

Eine Flüstergalerie ist ein umschlossener kreisförmiger oder elliptischer Bereich, wie er unter einer architektonischen Kuppel zu finden ist, in dem Flüstern, das an einem Ende der Kuppel gemacht wird, auf der anderen Seite deutlich zu hören ist.

Das liegt daran, dass Schallwellen mit sehr geringem Volumenverlust um den Kreis oder die Kuppel wandern. Lichtwellen können dasselbe tun.

Im Mikroresonator wurde mit einer optischen Faser eine Flüstergalerie geschaffen, durch die Licht hindurchtreten kann.

„Die Innenfläche dieses kleinen kreisförmigen Hohlraums wirkt wie ein Spiegel, und das von der Glasfaser eingestrahlte Licht geht millionenfach im Hohlraum umher“, sagte Ötügen.

Eine „Resonanz“ tritt auf, wenn die Wellenlänge des Lichts ein genaues Vielfaches der Entfernung ist, die benötigt wird, um den Hohlraum einmal zu umrunden, erklärte er.

Bei Resonanz wird ein Teil des Lichts entweder absorbiert oder entweicht durch die Oberfläche. Das Licht, das aus der flüsternden Galerie kommt, ist also schwächer als das, was hereingekommen ist.

„Wenn ich einen Tropfen im Licht sehe, weiß ich, dass bei dieser Wellenlänge eine Resonanz aufgetreten ist“, sagte Ötügen.

Die Aufzeichnung dieser Verschiebung der Wellenlänge kann verwendet werden, um verschiedene Metriken zu messen, einschließlich der Beschleunigung eines Raumschiffs. Geräte, die den Flüstergalerie-Modus verwenden, liefern trotz ihrer geringen Größe sehr präzise Ergebnisse.

Ötügen arbeitete mit drei SMU-Forschungsassistenten – Alexandra Weis, Elie R. Salameh und Jaime da Silva – und Forschern der Michigan Aerospace Corporation zusammen, um den Mikrosensor in seinem Labor zu bauen.

Das Team der SMU hat zuvor die Verwendung von Flüstergalerie-Resonatoren für andere Anwendungen demonstriert, einschließlich der Erfassung von Kraft, Temperatur und elektrischen Feldern.

Was der Mikroresonator verwendet, um Daten zu erhalten

Wenn ein Raumschiff auf dem Mars oder einem anderen Planeten in unserem Sonnensystem landen soll, muss es zuerst durch die Gasschichten reisen, die als Atmosphäre bekannt sind und den Planeten umgeben. Auf dem Mars kann diese dünne Atmosphäre dazu führen, dass ein Raumschiff von seinen fast 12.500 Meilen pro Stunde abbremst.

Gastaschen unterschiedlicher Dichte können das Raumfahrzeug auch beim Abstieg vom Kurs abbringen, und das Raumfahrzeug muss seine Geschwindigkeit in einem kurzen Zeitrahmen sicher auf Null verringern.

All dies kann den planetaren Abstieg extrem schwierig machen. Es benötigt genaue Messungen von Richtung und Geschwindigkeit, um sicher zu landen.

Der Mikroresonator kann die Informationen sammeln, die der Computer des Raumfahrzeugs benötigt, um die Geschwindigkeit zu bestimmen, indem er rückgestreutes Licht aus der Atmosphäre verwendet. Alle Planeten im Sonnensystem haben eine Atmosphäre, daher könnte dieses Gerät theoretisch auf jedem von ihnen eingesetzt werden.

Lichtstrahlen im Weltraum werden von ihrem direkten Weg abgelenkt, wenn sie auf Gasmoleküle treffen, aus denen die Atmosphäre besteht. Wenn also das Raumschiff auf seinem Weg Laserlichtimpulse in die Atmosphäre sendet, wird dieses Licht zum Raumschiff zurückgeworfen.

Winzige Mengen dieses zurückgestreuten Lichts werden zum Mikroresonator übertragen und analysiert.

Die Relativgeschwindigkeit zwischen Atmosphäre und Raumfahrzeug erzeugt den sogenannten Doppler-Effekt – die Änderung der Wellenlänge in Bezug auf einen Beobachter, hier das Raumfahrzeug, der sich durch die Atmosphäre bewegt. Sie sehen, wie der Doppler-Effekt mit Schallwellen in der Sirene eines Krankenwagens arbeitet, die höher wird, wenn sie sich Ihnen nähert, und dann niedriger, wenn sie sich entfernt.

Lichtwellen funktionieren auf die gleiche Weise, außer dass sie unterschiedliche Farbschattierungen annehmen, je nachdem, wie schnell sie sich bewegen. Aus der Änderung der Wellenlänge kann die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs bestimmt werden.