Tänk dig att stå på taket av en byggnad i Los Angeles och försöka rikta en laser så exakt att du kan träffa en viss byggnad i San Diego, mer än 160 kilometer bort. Denna noggrannhet krävs för den bedrift som en ny teknikdemonstration ombord på uppdraget Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-On (GRACE-FO) kommer att uppnå. För första gången, en lovande teknik som kallas laserinterferometri kommer att testas mellan två satelliter.

GRACE-FO, planeras att starta 19 maj, fortsätter det rika arvet från det ursprungliga GRACE -uppdraget, som startade 2002 på ett planerat femårigt uppdrag och avslutade operationer i oktober 2017. Bland dess insikter, GRACE förvandlade vår förståelse av den globala vattencykeln genom att visa hur massor av flytande vatten och is förändras varje månad. Uppdraget ökade också vår kunskap om storskaliga förändringar på den fasta jorden. GRACE-FO kommer att ge kontinuitet för GRACEs landmärkesmätningar i minst ytterligare fem år, ytterligare förbättra den vetenskapliga förståelsen av jordsystemsprocesser och noggrannheten i miljöövervakning och prognoser.

Hur fungerade GRACE?

GRACE erhöll sina uppgifter om rörelsen av jordens massa genom att exakt mäta små förändringar i avståndet mellan två rymdfarkoster som flög det ena bakom det andra runt jorden. När satelliterna stötte på en förändring i fördelningen av jordens massa - till exempel en bergskedja eller massa underjordiskt vatten - ändrade jordens dragkraft på rymdfarkosten avståndet mellan dem. Himalaya -bergen, till exempel, ändrade separationsavståndet med cirka tre hundradelar av en tum (80 mikrometer). Genom att exakt beräkna varje månad hur satelliternas separationsavstånd förändrades under varje bana och över tid, det var möjligt att upptäcka förändringar i jordens massfördelning med hög precision.

Att mäta förändringen i separationen mellan rymdfarkosten var möjlig med hög precision eftersom varje rymdfarkoster överförde mikrovågor mot den andra. Hur vågorna interagerade med varandra - hur de störde varandra - skapade en mikrovågsinterferometer i rymden. Denna process förvandlade i huvudsak de två rymdfarkosterna till ett enda instrument som mycket exakt kunde mäta avståndsförändringen mellan dem, vilket i sin tur kan relateras till förändringar i massfördelningen på jorden.

Vad är nytt om GRACE-FO?

GRACE-FO arbetar efter samma principer. Varje rymdfarkost bär igen ett mikrovågsinstrument för att spåra förändringar i separationsavståndet. Men GRACE-FO har också något nytt:en teknologisk demonstration av en laser-interferometer (LRI), förvaltas gemensamt av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, och Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert-Einstein Institut) i Hannover, Tyskland. Förutom att överföra mikrovågor mellan varandra, GRACE-FO-satelliterna lyser lasrar mot varandra.

Eftersom våglängderna i en laserstråle är betydligt kortare än mikrovågslängder, laserinterferometern kommer att förbättra spårningsnoggrannheten för separationsändringar - precis som att mäta i millimeter istället för centimeter skulle vara mer exakt. GRACE-FO:s interferometer kommer att upptäcka förändringar i avstånd mer än 10 gånger mindre än vad mikrovågsinstrumentet upptäcker-förändringar i storleksordningen 100 gånger smalare än ett människohår.

"Med GRACE-FO, vi tar något spetsigt från labbet och gör det klart för rymdflygning, "sa Kirk McKenzie, LRI -instrumentchefen på JPL. "Anledningen till att vi tillbringar årtionden i labbet är att se vår teknik möjliggöra en ny typ av mätningar och resultera i vetenskapliga upptäckter."

Varje GRACE-FO-satellit kommer att kunna detektera den andra lasersignalen. Men det här är ingen lätt prestation. Varje laser har cirka fyra laserpekare och måste detekteras av en rymdfarkost i genomsnitt 220 kilometer bort. Även den extremt exakta montering av satelliterna räcker inte för att garantera att lasern som sänds från varje rymdfarkoster kommer att justeras tillräckligt bra för att träffa det andra rymdfarkosten.

Som ett resultat, McKenzie förklarar, första gången laserinterferometern slås på, komponenterna i LRI på varje rymdfarkoster måste utföra en skanning för att skicka ut instrumentets signaler och försöka "fånga" den andras signaler i alla möjliga konfigurationer. Rymdfarkosten har så många möjliga konfigurationer, det tar nio timmar. Under en millisekund av de nio timmarna, det kommer att bli en blixt på båda rymdfarkosterna för att visa att de pratar med varandra. Efter att denna signalförvärv sker en gång, interferometerns optiska länk kommer att bildas och sedan är instrumentet utformat för att fungera kontinuerligt och autonomt.

"Vi försöker något som är väldigt svårt-den första demonstrationen någonsin av laserinterferometri i rymden mellan satelliter, "sa Gerhard Heinzel, instrumentchefen vid Max Planck Institute. "Men det är mycket tillfredsställande att pussla över ett problem och hitta något som fungerar."

Svårigheten med uppgiften krävde att utnyttja olika kompetensområden. JPL övervakade lasern på interferometern, mätelektronik och optisk kavitet. Max Planck -institutet ansvarade för optiken, detektorer, speglar och balkdelare. GRACE-FO-laserinterferometern utnyttjade också de två gruppernas 15-åriga historia av att samarbeta om tekniken bakom ESA/NASA Laser Interferometer in Space Antenna (LISA) -uppdrag, som kommer att lanseras i början av 2030 -talet.

Varför prova något så svårt?

"Laserinterferometern på GRACE-FO är potentiellt en möjliggörande teknik för framtida uppdrag runt jorden eller till och med att titta på universum, "sa Frank Webb, GRACE-FO:s projektvetare på JPL. "Den här nya, mätning med högre precision bör möjliggöra effektivare uppdrag i framtiden med lägre massa, kraft och kostnad. Vi är ivriga att se hur det presterar och vilka nya signaler vi kanske kan ta ut ur data. "

Om det lyckas, denna nya teknik, tillsammans med en förbättrad accelerometer, lovar att förbättra upplösningen av framtida GRACE-FO-liknande uppdrag till bättre än 300 kilometer i diameter, tillåta framtida uppdrag att spåra och identifiera förändringar i mindre vattendrag, is och den fasta jorden.