GRACE-FO dimostrerà l'efficacia dell'utilizzo dei laser al posto delle microonde per misurare con maggiore precisione le fluttuazioni nella distanza di separazione tra i due veicoli spaziali, potenzialmente migliorando la precisione delle misurazioni della fluttuazione della portata di un fattore di almeno 10 nelle future missioni simili a GRACE. Credito:NASA/JPL-Caltech
Immagina di stare sul tetto di un edificio a Los Angeles e di cercare di puntare un laser in modo così preciso da poter colpire un particolare edificio a San Diego, più di 100 miglia (160 chilometri) di distanza. Questa precisione è necessaria per l'impresa che una nuova dimostrazione di tecnologia a bordo della missione Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) di prossima apertura mirerà a raggiungere. Per la prima volta, tra due satelliti sarà testata una tecnica promettente chiamata interferometria a raggio laser.
GRAZIA-FO, previsto per il lancio il 19 maggio porta avanti la ricca eredità della missione originale GRACE, lanciato nel 2002 con una missione quinquennale pianificata e concluso le operazioni nell'ottobre 2017. Tra le sue intuizioni, GRACE ha trasformato la nostra comprensione del ciclo globale dell'acqua mostrando come le masse di acqua liquida e ghiaccio cambiano ogni mese. La missione ha anche aggiunto alla nostra conoscenza dei cambiamenti su larga scala nella Terra solida. GRACE-FO fornirà continuità alle misurazioni del punto di riferimento di GRACE per almeno altri cinque anni, migliorare ulteriormente la comprensione scientifica dei processi del sistema terrestre e l'accuratezza del monitoraggio e delle previsioni ambientali.
Come ha funzionato GRACE?
GRACE ha ottenuto i suoi dati sul movimento della massa terrestre misurando con precisione i leggeri cambiamenti nella distanza tra due veicoli spaziali che volavano uno dietro l'altro intorno alla Terra. Quando i satelliti hanno riscontrato un cambiamento nella distribuzione della massa terrestre, come una catena montuosa o una massa di acqua sotterranea, l'attrazione gravitazionale della Terra sulla navicella ha cambiato la distanza tra loro. Le montagne dell'Himalaya, Per esempio, cambiato la distanza di separazione di circa tre centesimi di pollice (80 micrometri). Calcolando accuratamente ogni mese come è cambiata la distanza di separazione dei satelliti durante ogni orbita e nel tempo, è stato possibile rilevare i cambiamenti nella distribuzione di massa della Terra con alta precisione.
Misurare il cambiamento nella separazione tra i veicoli spaziali è stato possibile con un alto grado di precisione perché ogni veicolo spaziale trasmetteva microonde all'altro. Il modo in cui le onde hanno interagito tra loro, il modo in cui hanno interferito tra loro, ha creato un interferometro a microonde nello spazio. Questo processo ha essenzialmente trasformato i due veicoli spaziali in un unico strumento in grado di misurare in modo molto preciso il cambiamento di distanza tra loro, che a sua volta può essere correlato ai cambiamenti nella distribuzione di massa sulla Terra.
Lo strumento Interferometro Laser Range. Credito:Istituto Albert Einstein, Hannover, Germania. Credito:NASA
Cosa c'è di nuovo su GRACE-FO?
GRACE-FO lavora su questi stessi principi. Ogni navicella trasporta di nuovo uno strumento a microonde per tenere traccia dei cambiamenti nella distanza di separazione. Ma GRACE-FO porta anche qualcosa di nuovo:una dimostrazione tecnologica di un interferometro laser (LRI), gestito congiuntamente dal Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, e il Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert-Einstein Institut) di Hannover, Germania. Oltre a trasmettere le microonde tra loro, i satelliti GRACE-FO si illumineranno di laser l'uno contro l'altro.
Poiché le lunghezze d'onda in un raggio laser sono significativamente più corte delle lunghezze d'onda delle microonde, l'interferometro laser migliorerà la precisione di tracciamento delle variazioni di separazione, proprio come la misurazione in millimetri anziché in centimetri sarebbe più precisa. L'interferometro di GRACE-FO rileverà variazioni di distanza più di 10 volte inferiori a quelle rilevate dallo strumento a microonde, variazioni dell'ordine di 100 volte più strette di un capello umano.
"Con GRACE-FO, stiamo prendendo qualcosa di innovativo dal laboratorio e lo stiamo preparando per il volo spaziale, " ha detto Kirk McKenzie, il responsabile dello strumento LRI al JPL. "Il motivo per cui trascorriamo decenni a lavorare in laboratorio è vedere la nostra tecnologia consentire un nuovo tipo di misurazione e portare a scoperte scientifiche".
Ciascun satellite GRACE-FO sarà in grado di rilevare il segnale laser dell'altro. Ma questa non è un'impresa facile. Ogni laser ha la potenza di circa quattro puntatori laser e deve essere rilevato da un veicolo spaziale a una media di 137 miglia (220 chilometri) di distanza. Anche l'assemblaggio ultra-preciso dei satelliti non è sufficiente a garantire che il laser trasmesso da ogni veicolo spaziale sia allineato abbastanza bene da colpire l'altro veicolo spaziale.
GRACE-FO misurerà i cambiamenti mensili nell'attrazione gravitazionale risultanti dai cambiamenti nella massa della Terra al di sotto dei satelliti in orbita. Mentre i satelliti orbitano attorno alla Terra, uno dopo l'altro, queste masse in movimento alterano l'attrazione gravitazionale sotto di loro, cambiando leggermente la distanza tra loro. Credito:NASA/JPL-Caltech
Di conseguenza, McKenzie spiega, la prima volta che l'interferometro laser viene acceso, i componenti dell'LRI su ciascun veicolo spaziale devono eseguire una scansione per inviare i segnali dello strumento e cercare di "catturare" i segnali dell'altro in tutte le configurazioni possibili. La navicella ha così tante possibili configurazioni, ci vogliono nove ore. Per un millisecondo di quelle nove ore, ci sarà un lampo su entrambi i veicoli spaziali per mostrare che stanno parlando tra loro. Dopo che l'acquisizione del segnale avviene una volta, verrà realizzato il collegamento ottico dell'interferometro e quindi lo strumento sarà progettato per funzionare in modo continuo ed autonomo.
"Stiamo provando qualcosa di molto difficile:la prima dimostrazione di interferometria laser nello spazio tra i satelliti, " disse Gerhard Heinzel, il manager dello strumento presso l'Istituto Max Planck. "Ma è molto soddisfacente risolvere un problema e trovare qualcosa che funzioni."
La difficoltà del compito richiedeva di attingere a diverse aree di competenza. Il JPL ha supervisionato il laser sull'interferometro, elettronica di misura e cavità ottica. Il Max Planck Institute era responsabile dell'ottica, rilevatori, specchietti e divisori di raggio. L'interferometro laser a distanza GRACE-FO ha anche sfruttato la storia di 15 anni di collaborazione dei due gruppi sulla tecnologia alla base della missione LISA (Laser Interferometer in Space Antenna) dell'ESA/NASA, che lancerà nei primi anni 2030.
Perché provare qualcosa di così difficile?
"L'interferometro a raggio laser su GRACE-FO è potenzialmente una tecnologia abilitante per future missioni intorno alla Terra o anche per guardare l'universo, " ha detto Frank Webb, Scienziato del progetto di GRACE-FO al JPL. "Questo nuovo, una misurazione di maggiore precisione dovrebbe consentire missioni più efficienti in futuro con una massa inferiore, potenza e costo. Siamo ansiosi di vedere come si comporta e quali nuovi segnali potremmo essere in grado di estrarre dai dati".
In caso di successo, questa nuova tecnologia, insieme a un accelerometro migliorato, promette di migliorare la risoluzione delle future missioni simili a GRACE-FO a un diametro migliore di 200 miglia (300 chilometri), consentendo alle future missioni di tracciare e individuare i cambiamenti nei corpi idrici più piccoli, ghiaccio e la Terra solida.
