Các nhà khoa học cho rằng đặt các tia laser siêu ổn định bên trong một số miệng hố Mặt Trăng lạnh giá và tối tăm nhất có thể giúp các nhà khoa học thiết lập một hệ thống định vị giống như GPS trên Mặt Trăng, cho phép các phi hành gia và tàu vũ trụ Artemis trong tương lai di chuyển trên bề mặt Mặt Trăng dễ dàng hơn.
Theo các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST), các miệng hố vĩnh viễn chìm trong bóng tối gần cực nam của Mặt Trăng có thể cung cấp môi trường tự nhiên lý tưởng cho các hệ thống laser cực kỳ chính xác. Họ cho rằng những tia laser này một ngày nào đó có thể cung cấp nền tảng thời gian cần thiết để các phi hành gia, xe tự hành và tàu vũ trụ trong tương lai định vị trên Mặt Trăng mà không cần phụ thuộc quá nhiều vào hệ thống theo dõi đặt trên Trái Đất.
Các khái niệm về GPS Mặt Trăng ngày càng nhận được nhiều sự quan tâm khi NASA chuẩn bị cho các sứ mệnh Artemis dài hạn và các căn cứ Mặt Trăng trong tương lai. Các nhà khoa học và cơ quan vũ trụ đã dành nhiều năm phát triển các ý tưởng cho hệ thống định vị, dẫn đường và tính thời gian đặt trên Mặt Trăng, với các khái niệm được đề xuất bao gồm các vệ tinh định vị quay quanh Mặt Trăng, đèn hiệu vô tuyến và đồng hồ nguyên tử tương tự như công nghệ đằng sau mạng lưới GPS của Trái Đất.
Nghiên cứu mới được xây dựng dựa trên những nỗ lực đó, và bổ sung thêm một bước ngoặt bất thường: các tia laser siêu ổn định được đặt bên trong các miệng hố vĩnh viễn chìm trong bóng tối của Mặt Trăng. Một tia laser có độ ổn định cao tạo ra ánh sáng với tần số gần như không đổi một cách hoàn hảo, cho phép nhiều tia laser đo chính xác khoảng cách giữa các vật thể – một khả năng cuối cùng có thể hỗ trợ các hệ thống định vị trên khắp bề mặt Mặt Trăng.
Các miệng hố vĩnh viễn chìm trong bóng tối không bao giờ nhận được ánh sáng mặt trời trực tiếp do độ nghiêng trục quay thấp của Mặt Trăng. Ẩn mình trong bóng tối vĩnh cửu, những miệng hố này lạnh hơn cả Sao Diêm Vương, với nhiệt độ giảm xuống khoảng âm 223 độ C. Từ lâu, các nhà khoa học đã coi chúng là những hồ chứa nước đá tiềm năng có thể hỗ trợ các khu định cư trên Mặt Trăng trong tương lai.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu cho rằng chính những điều kiện khắc nghiệt đó có thể biến các miệng hố này thành phòng thí nghiệm tự nhiên lý tưởng cho các hệ thống laser chính xác. Nghiên cứu đề xuất sử dụng một khoang quang học silicon – một thiết bị ổn định ánh sáng laser bằng cách phản xạ nó qua lại giữa các gương được đặt cách nhau một khoảng cách cực kỳ chính xác.
Trên Trái Đất, các hệ thống này đòi hỏi quá trình làm lạnh bằng phương pháp siêu lạnh phức tạp và cách ly rung động vì ngay cả những thay đổi nhiệt độ nhỏ cũng có thể gây mất ổn định cho tia laser. Tuy nhiên, bên trong một miệng hố Mặt Trăng vĩnh viễn chìm trong bóng tối, thiên nhiên có thể làm phần lớn công việc đó mà không tốn công sức.
Theo tuyên bố, nhiệt độ lạnh giá bên trong các miệng hố, kết hợp với môi trường chân không cao tự nhiên của Mặt Trăng và mức độ rung động tương đối thấp so với Trái Đất, có thể cho phép các khoang quang học silicon hoạt động với hầu như không có sự giãn nở vì nhiệt – mang lại sự ổn định cần thiết cho các hệ thống định vị dựa vào tần số laser chính xác để tính toán vị trí và theo dõi chuyển động của tàu vũ trụ trên bề mặt Mặt Trăng.
“Ngay khi tôi hiểu được những gì mà các vùng vĩnh viễn chìm trong bóng tối có thể mang lại, tôi cảm thấy đây sẽ là môi trường lý tưởng nhất cho một tia laser siêu ổn định”, Jun Ye, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết trong bản tuyên bố của NIST.
Ngày nay, các vệ tinh GPS của Trái Đất liên tục phát tín hiệu thời gian được tạo ra bởi đồng hồ nguyên tử. Máy thu tính toán vị trí của chúng bằng cách đo thời gian các tín hiệu đó đến từ nhiều vệ tinh.
Các tàu vũ trụ quanh Mặt Trăng vẫn phụ thuộc nhiều vào hệ thống theo dõi đặt trên Trái Đất, nhưng khi các hoạt động trên Mặt Trăng gia tăng, cách tiếp cận đó có thể không còn thực tế – đặc biệt là xung quanh vùng cực nam gồ ghề của Mặt Trăng, nơi điều kiện ánh sáng khó khăn làm phức tạp việc định vị cho cả phi hành gia và robot thám hiểm.
Thay vào đó, các nhà nghiên cứu cho rằng các tia laser siêu ổn định được đặt bên trong các miệng hố vĩnh viễn chìm trong bóng tối có thể đóng vai trò là chuẩn thời gian chính cho các vệ tinh và mạng lưới liên lạc Mặt Trăng trong tương lai, hoạt động hiệu quả như một phần của cơ sở hạ tầng GPS Mặt Trăng.
Khi được triển khai bên trong hoặc gần miệng hố Mặt Trăng vĩnh viễn chìm trong bóng tối, khoang quang học sẽ ổn định một tia laser lân cận bằng cách khóa ánh sáng của nó vào một tần số duy nhất, cực kỳ chính xác. Các nhà nghiên cứu cho biết tín hiệu tạo ra có thể hoạt động giống như một đèn hiệu GPS cho tàu vũ trụ Mặt Trăng, đồng thời cũng kết nối với đồng hồ nguyên tử đặt trên vệ tinh để giúp hình thành “xương sống của đồng hồ nguyên tử quang học đầu tiên trên bề mặt ngoài Trái Đất”, các quan chức cho biết trong tuyên bố.
Những phát hiện của họ đã được công bố vào ngày 8 tháng 5 trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.
Bề mặt đầy miệng hố của Mặt Trăng. Liệu những vùng bóng tối này có thể giúp tạo ra GPS Mặt Trăng không? (Nguồn ảnh: NASA)
Một tia laser Mặt Trăng khóa với khoang cộng hưởng quang học silicon siêu ổn định trong một miệng hố vĩnh viễn chìm trong bóng tối có thể đóng vai trò là chuẩn tham chiếu chính xác cho mạng lưới định vị giống GPS trên Mặt Trăng trong tương lai. Ảnh: Phòng Thí nghiệm Hình ảnh NASA
