Ein Laser auf dem Mond

In ihnen herrscht ewige Nacht: Nahe des Südpols des Mondes gibt es Krater, in die niemals Sonnenlicht gelangt. Dort ist es kalt, es gibt keine Luft, nichts regt sich. Was wenig einladend wirkt, bietet die perfekte Umgebung, um einen ultrastabilen Laser zu bauen.

Physiker Prof. Jun Ye (links) schlägt vor, einen ultrastabilen Laser auf dem Mond zu installieren. Zentral dafür ist ein Laserbauteil aus Silizium, ein optischer Resonator. Mitglieder seines Teams halten Replika dieses optischen Resonators (von links nach rechts: Zoey Hu, Dahyeon Lee and Ben Lewis). Foto Credit: R. Jacobson/NIST

Das zumindest schlägt ein Forscherteam um Physiker Professor Jun Ye vom JILA, NIST und der University of Colorado in den USA vor. Gemeinsam mit Kollegen vom Jet Propulsion Laboratory, der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) und der Firma Lunetronic Inc. haben die Forschenden den Vorschlag in Magazin PNAS veröffentlicht.

Der optische Resonator aus Silizium im Labor. Foto Credit: Ye Labs/JILA, NIST & Univ Colorado

Im Fokus steht dabei ein besonderes, stabiles Laserbauteil aus Silizium – ein optischer Resonator – dessen Aufgabe es ist, die Frequenz bzw. die Farbe eines Lasers möglichst konstant zu halten. In einem Siliziumblock wird Laserlicht zwischen zwei Spiegeln hin- und hergeworfen, wobei – abhängig vom Spiegelabstand – nur bestimmte Frequenzen existieren können. Je stabiler der Abstand zwischen den Spiegeln ist, desto konstanter ist auch die Laserfrequenz. Um einen möglichst stabilen Laser zu bauen, benötigt man daher ein stabile thermische Umgebung und möglichst wenig mechanische Bewegungen.

Ein ultrastabiler Laser auf dem Mond könnte zum Beispiel genutzt werden, um extrem präzise Uhren zu bauen, deren Taktung durch Elektronenübergänge in Atomen vorgegeben wird. Bild Credit: J. Ye/NIST with lunar background image produced by NASA’s Visualization Studio

Auf der Erde ist das sehr aufwendig – das weiß Ye aus Erfahrung. Auf Basis der Siliziumresonatoren entwickelt sein Team gemeinsam mit Kollegen an der PTB seit Jahren Lasersysteme, die zu den stabilsten der Welt zählen. Um geeignete Bedingungen zu schaffen, benötigen die Forschenden diverse Apparaturen: Kryostaten zum Kühlen des Resonators, eine Vakuumpumpe, um Luft zu entfernen und um das Vakuum aufrecht zu erhalten, sowie eine schwingungsisolierte Plattform. „All diese Bedingungen lassen sich in den dauerhaft beschatteten Bereichen des Mondes auf passive Weise erfüllen, ohne dass aktive Maschinen zum Einsatz kommen“, erklärt Ye.

Die dauerhaft beschatteten Bereiche existieren, da die Mondachse – anders als die Erdachse – fast senkrecht zur Richtung zeigt, aus der das Sonnenlicht kommt. Das bringt für das Vorhaben der Forschenden mehrere Vorteile mit sich.

Während sich die Temperatur am Mondäquator innerhalb eines Tages von etwa -130 °C nachts, auf über 120 °C tagsüber erhöhen kann, bleibt es in den permanent beschatteten Kratern nahe der Pole relativ konstant bei etwa -220 °C – also etwa 50 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Der Siliziumresonator ließe sich laut den Forschenden durch Wärmeabgabe in Form von Infrarotstrahlung an das tiefe Universum weiter auf 16 Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlen. Bei dieser Temperatur weist Silizium eine besondere thermische Eigenschaft auf – es dehnt sich bei geringen Temperaturschwankungen weder aus noch zieht es sich zusammen.

Zusätzlich herrschen in den Kratern sowohl ein extrem hohes Vakuum als auch außergewöhnlich wenig Vibrationen. Für beides bietet die Mondoberfläche bereits deutlich bessere Voraussetzungen als die Erde: So besitzt der Mond keine Atmosphäre, wodurch es vergleichsweise wenig Gasteilchen gibt, und die tektonische Aktivität des Mondes – seine natürliche Oberflächenbewegung – ist sehr gering. In den dunklen Krater sind die Bedingungen noch extremer, da sie weder direktem Sonnenlicht oder einem Beschuss – beispielsweise durch Sonnenwinde – ausgesetzt sind, die Teilchen von der Oberfläche lösen oder Erschütterungen auslösen könnten.

„Die Kombination aus extremem Vakuum, minimalen Vibrationen, hoher thermischer Stabilität und der Möglichkeit, nahezu unbegrenzt zu kühlen, machte mir klar: Diese Umgebung ist ideal, um einen ultrastabilen optischen Siliziumresonator zu betreiben“, so Ye. Die Forschenden haben berechnet: Mit diesen Bedingungen könnte man eine zehnmal bessere Performance erreichen als mit den aktuell besten Systemen auf der Erde.

Für das Lasersystem braucht es abgesehen vom Siliziumresonator noch den Laser, den dieser stabilisieren soll. Im Gegensatz zum Resonator benötigt dieser allerdings Strom. Die Forschenden planen daher, den Laser am Rand des Kraters zu platzieren. Durch die fehlende Atmosphäre des Mondes könnte dieser dort ununterbrochen Sonnenlicht empfangen, mit dem dieser sich betreiben ließe.

Der extrem stabile Laser könnte die Grundlage für ein auf dem Mond funktionierendes Navigationssystem schaffen, das Raumfahrzeugen eine präzise Positionsbestimmung ermöglicht – vergleichbar mit GPS auf der Erde. Gleichzeitig würde er hochgenaue Entfernungsmessungen zwischen Satelliten ermöglichen – und die erste optische Atomuhr auf einem außerirdischen Himmelskörper. Atomuhren gelten als die derzeit präzisesten Zeitmessern, deren Taktung durch Elektronenübergänge in Atomen vorgegeben wird.

Die größte Herausforderung in ihrem Vorhaben, meint Ye, sei es, das Lasersystem auf dem Mond zu installieren: „Ich bin kein Raumwissenschaftler oder Ingenieur, aber ich weiß, dass eine bemannte Mission zum Mond herausfordernd ist, und wir werden wahrscheinlich Astronauten benötigen, um ein derartiges System aufzubauen.“

Tatsächlich haben die Forschenden bereits viele interessante Anfragen bekommen. Ye ist zuversichtlich: „Unsere Hoffnung ist es, entweder eine Regierungsbehörde oder eine private Firma davon zu überzeugen, diese Idee aufzugreifen. Wir glauben, dass dies ein äußerst überzeugendes wissenschaftliches Konzept ist, das erhebliche Auswirkungen auf künftige Weltraumprogramme haben kann.“ In einem ersten Schritt würden die Forschenden gerne einen Siliziumresonator auf einen erdnahen Satelliten bringen, um dort erste Tests durchzuführen.

Originalpublikation:

J. Ye et al.

Lunar silicon cavity

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 123 (19) e2604438123

doi.org/10.1073/pnas.2604438123