Zum ersten Mal wurde auf dem Mond ein Laserstrahl zwischen einem umlaufenden NASA-Raumschiff und einem Oreo-großen Gerät auf dem Vikram-Lander der ISRO (Indian Space Research Organization) auf der Mondoberfläche übertragen und reflektiert. Das erfolgreiche Experiment öffnet die Tür zu einer neuen Art der präzisen Lokalisierung von Zielen auf der Mondoberfläche.
Am 12. Dezember 2023 um 15 Uhr EST richtete der LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter) der NASA sein Laser-Höhenmesserinstrument auf Vikram. Der Lander befand sich 62 Meilen bzw. 100 Kilometer von LRO entfernt, in der Nähe des Manzinus-Kraters in der Südpolregion des Mondes, als LRO Laserimpulse darauf sendete. Nachdem der Orbiter Licht registriert hatte, das von einem winzigen NASA-Retroreflektor an Bord von Vikram zurückgeworfen worden war, wussten die NASA-Wissenschaftler, dass ihre Technik endlich funktioniert hatte.
Das Senden von Laserimpulsen auf ein Objekt und das Messen der Zeit, die das Licht braucht, um zurück zu reflektieren, ist eine häufig verwendete Methode, um die Standorte erdumlaufender Satelliten vom Boden aus zu verfolgen. Aber die umgekehrte Anwendung der Technik – das Senden von Laserimpulsen von einem sich bewegenden Raumschiff an ein stationäres, um dessen genaue Position zu bestimmen – hat laut Wissenschaftlern viele Anwendungen auf dem Mond.
„Wir haben gezeigt, dass wir unseren Retroreflektor von der Umlaufbahn des Mondes aus auf der Oberfläche lokalisieren können“, sagte Xiaoli Sun, die das Team am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, leitete, das im Rahmen einer Partnerschaft den Retroreflektor auf Vikram entwickelt hat zwischen NASA und ISRO. „Der nächste Schritt besteht darin, die Technik so zu verbessern, dass sie für Missionen, die diese Retroreflektoren in Zukunft nutzen wollen, zur Routine werden kann.“
Der winzige, aber mächtige Retroreflektor der NASA, Laser Retroreflector Array genannt, ist nur 2 Zoll oder 5 Zentimeter breit und verfügt über acht Quarz-Eckwürfelprismen, die in einen kuppelförmigen Aluminiumrahmen eingelassen sind. Laut Wissenschaftlern ist das Gerät einfach und langlebig, benötigt weder Strom noch Wartung und kann Jahrzehnte halten. Seine Konfiguration ermöglicht es dem Retroreflektor, aus jeder Richtung einfallendes Licht zurück zu seiner Quelle zu reflektieren.
Retroreflektoren können für viele Anwendungen in Wissenschaft und Forschung eingesetzt werden und werden bereits seit der Apollo-Ära auf dem Mond eingesetzt. Indem sie Licht zurück zur Erde reflektierten, zeigten die koffergroßen Retroreflektoren, dass sich der Mond mit einer Geschwindigkeit von 1,5 Zoll (3,8 Zentimeter) pro Jahr von unserem Planeten entfernt.
Diese neue Generation winziger Retroreflektoren bietet noch mehr Anwendungsmöglichkeiten als ihre größeren Vorgänger. Auf der Internationalen Raumstation werden sie als Präzisionsmarkierungen verwendet, die das autonome Andocken von Raumschiffen zur Frachtlieferung unterstützen.
Künftig könnten sie beispielsweise Artemis-Astronauten im Dunkeln zur Oberfläche führen oder die Standorte von Raumfahrzeugen markieren, die sich bereits auf der Oberfläche befinden, und so Astronauten oder unbemannten Raumfahrzeugen helfen, neben ihnen zu landen.
Aber es gibt noch viel zu tun, bevor Retroreflektoren den Mond zum Leuchten bringen können. Die größte Hürde für ihre sofortige Einführung besteht darin, dass der Höhenmesser des LRO, der über seine Hauptmission hinaus 13 Jahre lang in Betrieb war, derzeit das einzige Laserinstrument ist, das den Mond umkreist. Aber das Instrument war nicht dafür konzipiert, ein Ziel zu lokalisieren; Seit 2009 ist der Höhenmesser – LOLA genannt – für die Kartierung der Mondtopographie verantwortlich, um Missionen zur Oberfläche vorzubereiten.
„Wir möchten, dass LOLA auf dieses Oreo-große Ziel zeigt und es jedes Mal trifft, was schwierig ist“, sagte Daniel Cremons, ein Goddard-Wissenschaftler der NASA, der mit Sun zusammenarbeitet. Der Höhenmesser brauchte acht Versuche, um Vikrams Retroreflektor zu kontaktieren.
LOLA sendet fünf Laserstrahlen in Richtung Mond und misst, wie lange es dauert, bis jeder einzelne zurückprallt (je schneller das Licht zurückkehrt, desto geringer ist der Abstand zwischen LOLA und der Oberfläche und desto höher ist daher die Höhe in diesem Bereich). Jeder Laserstrahl deckt einen Bereich mit einer Breite von 32 Fuß oder 10 Metern aus einer Höhe von 62 Meilen oder 100 Kilometern ab. Da zwischen den Strahlen große Lücken bestehen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Laserpuls bei jedem Vorbeiflug des Mondorbiters über den Lander einen Retroreflektor trifft, nur gering.
Höhenmesser eignen sich hervorragend zur Erkennung von Kratern, Felsen und Felsbrocken, um globale Höhenkarten des Mondes zu erstellen. Sie sind jedoch nicht ideal für die Ausrichtung auf ein Hundertstel Grad eines Retroreflektors, was erforderlich ist, um einen konstanten Ping zu erzielen. Ein zukünftiger Laser, der die Oberfläche langsam und kontinuierlich ohne Lücken in der Abdeckung abstreicht, würde dazu beitragen, dass winzige Retroreflektoren ihr Potenzial voll ausschöpfen.
Das Team hinter den Miniatur-Retroreflektoren der NASA wird vorerst weiterhin den Laserhöhenmesser des LRO verwenden, um die Position von Zielen auf der Oberfläche, insbesondere Landegeräten, zu verfeinern.
Mehrere NASA-Retroreflektoren sollen an Bord öffentlicher und privater Mondlander fliegen, darunter einer auf dem SLIM-Lander der JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), der am 19. Januar 2024 auf dem Mond landen soll, und einer, der von Intuitive Machines, einem privaten Unternehmen, gebaut wurde Mitte Februar soll die Raumsonde zum Mond fliegen. Intuitive Machines wird im Rahmen der NASA-Initiative Commercial Lunar Payload Services (CLPS) sechs NASA-Nutzlasten, einschließlich des Retroreflektors, transportieren.