Stel je voor dat je op het dak van een gebouw in Los Angeles staat en probeert een laser zo nauwkeurig te richten dat je een bepaald gebouw in San Diego zou kunnen raken, meer dan 100 mijl (160 kilometer) verwijderd. Deze nauwkeurigheid is vereist voor de prestatie die een nieuwe technologiedemonstratie aan boord van de binnenkort te lanceren Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) missie zal willen bereiken. Voor de eerste keer, een veelbelovende techniek genaamd laserafstandsinterferometrie zal worden getest tussen twee satellieten.

GRACE-FO, gepland voor lancering 19 mei, zet de rijke erfenis van de oorspronkelijke GRACE-missie voort, die in 2002 van start ging met een geplande vijfjarige missie en de operaties in oktober 2017 beëindigde. GRACE veranderde ons begrip van de wereldwijde watercyclus door te laten zien hoe massa's vloeibaar water en ijs elke maand veranderen. De missie heeft ook bijgedragen aan onze kennis van grootschalige veranderingen in de vaste aarde. GRACE-FO zorgt voor continuïteit voor de historische metingen van GRACE voor nog minstens vijf jaar, het verder verbeteren van het wetenschappelijk inzicht in de processen van het aardsysteem en de nauwkeurigheid van milieumonitoring en -voorspellingen.

Hoe werkte GRACE?

GRACE verkreeg zijn gegevens over de beweging van de massa van de aarde door nauwkeurig kleine veranderingen in de afstand te meten tussen twee ruimtevaartuigen die achter elkaar rond de aarde vlogen. Toen de satellieten een verandering in de verdeling van de massa van de aarde tegenkwamen, zoals een bergketen of een massa ondergronds water, veranderde de zwaartekracht van de aarde op het ruimtevaartuig de afstand tussen hen. Het Himalaya-gebergte, bijvoorbeeld, veranderde de scheidingsafstand met ongeveer driehonderdste van een inch (80 micrometer). Door elke maand nauwkeurig te berekenen hoe de scheidingsafstand van de satellieten veranderde tijdens elke baan en in de loop van de tijd, het was mogelijk om met hoge precisie veranderingen in de massaverdeling van de aarde te detecteren.

Het meten van de verandering in de afstand tussen het ruimtevaartuig was mogelijk met een hoge mate van precisie omdat elk ruimtevaartuig microgolven naar de andere zond. De manier waarop de golven met elkaar interageerden - de manier waarop ze met elkaar interfereerden - creëerde een microgolfinterferometer in de ruimte. Dit proces transformeerde de twee ruimtevaartuigen in wezen in een enkel instrument dat zeer nauwkeurig de afstandsverandering tussen hen kon meten, die op hun beurt verband kunnen houden met veranderingen in de massaverdeling op aarde.

Wat is er nieuw aan GRACE-FO?

GRACE-FO werkt volgens dezelfde principes. Elk ruimtevaartuig heeft weer een microgolfinstrument om veranderingen in de scheidingsafstand te volgen. Maar GRACE-FO heeft ook iets nieuws:een technologische demonstratie van een laser variërend interferometer (LRI), gezamenlijk beheerd door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, en het Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica (Albert-Einstein Institut) in Hannover, Duitsland. Naast het verzenden van microgolven tussen elkaar, de GRACE-FO-satellieten zullen lasers naar elkaar schijnen.

Omdat de golflengten in een laserstraal aanzienlijk korter zijn dan de golflengten van microgolven, de laserafstandsinterferometer zal de trackingprecisie van scheidingsveranderingen verbeteren - net zoals meten in millimeters in plaats van centimeters nauwkeuriger zou zijn. De interferometer van GRACE-FO zal afstandsveranderingen detecteren die meer dan 10 keer kleiner zijn dan wat het microgolfinstrument detecteert - veranderingen in de orde van 100 keer smaller dan een mensenhaar.

"Met GRACE-FO, we nemen iets hypermoderns uit het lab en maken het klaar voor ruimtevluchten, " zei Kirk McKenzie, de LRI-instrumentmanager bij JPL. "De reden dat we tientallen jaren in het laboratorium werken, is om te zien dat onze technologie een nieuw type meting mogelijk maakt en resulteert in wetenschappelijke ontdekkingen."

Elke GRACE-FO-satelliet kan het lasersignaal van de andere detecteren. Maar dit is geen gemakkelijke prestatie. Elke laser heeft de kracht van ongeveer vier laserpointers en moet worden gedetecteerd door een ruimtevaartuig op een afstand van gemiddeld 220 kilometer. Zelfs de ultraprecieze assemblage van de satellieten is niet voldoende om te garanderen dat de laser die door elk ruimtevaartuig wordt uitgezonden goed genoeg is uitgelijnd om het andere ruimtevaartuig te raken.

Als resultaat, McKenzie legt uit, de eerste keer dat de laserafstandsinterferometer wordt ingeschakeld, de componenten van de LRI op elk ruimtevaartuig moeten een scan uitvoeren om de signalen van het instrument uit te zenden en proberen de signalen van de ander in alle mogelijke configuraties te "vangen". Het ruimtevaartuig heeft zoveel mogelijke configuraties, het duurt negen uur. Een milliseconde van die negen uur, er zal een flits op beide ruimtevaartuigen zijn om te laten zien dat ze met elkaar praten. Nadat deze signaalacquisitie eenmaal heeft plaatsgevonden, de optische verbinding van de interferometer wordt gevormd en vervolgens wordt het instrument ontworpen om continu en autonoom te werken.

"We proberen iets dat heel moeilijk is - de allereerste demonstratie van laserinterferometrie in de ruimte tussen satellieten, " zei Gerhard Heinzel, de instrumentmanager van het Max Planck Instituut. "Maar het geeft veel voldoening om over een probleem te puzzelen en iets te vinden dat werkt."

De moeilijkheid van de taak vereiste het aanboren van verschillende expertisegebieden. JPL hield toezicht op de laser op de interferometer, meetelektronica en optische holte. Het Max Planck Instituut was verantwoordelijk voor de optica, detectoren, spiegels en beamsplitters. De GRACE-FO laserafstandsinterferometer profiteerde ook van de 15-jarige samenwerking van de twee groepen aan de technologie achter de ESA/NASA Laser Interferometer in Space Antenna (LISA)-missie, die begin 2030 van start zal gaan.

Waarom zoiets moeilijks proberen?

"De laserafstandsinterferometer op GRACE-FO is mogelijk een technologie die toekomstige missies rond de aarde of zelfs het universum mogelijk maakt, " zei Frank Webb, GRACE-FO's projectwetenschapper bij JPL. "Deze nieuwe, meting met hogere precisie moet in de toekomst efficiëntere missies mogelijk maken met een lagere massa, vermogen en kosten. We zijn benieuwd hoe het presteert en welke nieuwe signalen we uit de gegevens kunnen halen."

Indien succesvol, deze nieuwe technologie, samen met een verbeterde versnellingsmeter, belooft de resolutie van toekomstige GRACE-FO-achtige missies te verbeteren tot een diameter van meer dan 200 mijl (300 kilometer), waardoor toekomstige missies veranderingen in kleinere watermassa's kunnen volgen en lokaliseren, ijs en de vaste aarde.