Onderzoekers ontwikkelen interplanetaire lasers

Amerikaanse onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld om afstanden met behulp van een laser zeer precies te meten. Ze verbeterden niet alleen de precisie, maar ook het bereik van de metingen is honderden malen verbeterd.

Hoewel een laserbundel uit coherent licht bestaat en veel minder last heeft van verstrooiing dan zichtbaar licht, kan een bundel niet oneindig ver reiken. Het meten van afstanden met een passieve lasermeettechniek is daarom beperkt: momenteel worden afstanden tot enkele honderdduizenden kilometers gehaald, genoeg om de maan te bereiken. Onderzoekers hebben dat bereik echter vele malen verbeterd dankzij actieve lasermeettechniek. Daarmee zou ook de precisie vele malen verbeterd worden en zouden afstanden tot op fracties van millimeters nauwkeurig bepaald kunnen worden.

De actieve meettechniek maakt gebruik van actieve zenders en ontvangers aan beide kanten van de te overbruggen afstand. Passieve meettechnieken sturen een laserstraal naar een spiegel en meten de tijd die de bundel nodig heeft om heen en terug te bewegen. Met de actieve techniek is ook de ontvangende kant van een laserbron voorzien en wordt het inkomende laserlicht door een actieve sensor opgevangen. Na detectie wordt een puls teruggestuurd naar de andere transceiver. Vooralsnog is de techniek alleen op aarde getest en bleek deze afstandsverschillen van 0,14mm te kunnen meten.

In een volgende stap willen de onderzoekers, die werkzaam zijn bij het Jet Propulsion Laboratory, de transceiver-techniek op een grondstation en vliegtuig testen, om in de toekomst op te schalen naar een ruimtevoertuig. Op termijn zou het mogelijk moeten zijn om een transceiver, ofwel een zender/ontvanger, op Mars te plaatsen. Dat is met de huidige, passieve lasermeettechniek niet mogelijk.

Een directe toepassing van de nieuwe, actieve meetmethode zou het beantwoorden van de vraag of Mars een vaste of vloeibare kern heeft kunnen zijn. Meettechnieken om de baan van Mars nauwkeurig genoeg te kunnen meten om dat vast te stellen zijn er momenteel niet. Door een toekomstige Mars-verkenner met een laser-transceiver uit te rusten, zou die vraag beantwoord kunnen worden. Ook andere metingen, zoals het uitdijen van het heelal of effecten van speciale relativiteit, zouden uitgevoerd kunnen worden.

Reacties (40)

[Bilbo.Balings]

Mijn eerste reactie was dat dit soort metingen al sinds de jaren 60 gedaan worden met Radar en vroeg mij af wat de meerwaarde is van metingen met licht. Het blijkt, volgens het originele artikel, dat de snelheid van de radio signalen niet goed vaststaat omdat de ruimte tussen de planeten niet volledig vacuum is.
Afstand metingen met optische lasers hebben daar minder last van en de nauwkeurigheid van de afstand metingen wordt hiermee sterk verbeterd.

Oftewel een mooie ontwikkeling die potentieel weer veel extra kennis kan opleveren:

"Interplanetary precision laser ranging could also enable new tests of fundamental physics, including tests of the equivalence principle, the apparent acceleration of the expanding universe, and the possible existence of extra dimensions. The laser system could also enable tests of gravity, which could lead to the discovery of a violation or extension of general relativity, or the presence of an additional long-range interaction."

[Reactie gewijzigd door Bilbo.Balings op 24 juli 2024 13:17]

[gordian]

Mijn eerste reactie was dat dit soort metingen al sinds de jaren 60 gedaan worden met Radar en vroeg mij af wat de meerwaarde is van metingen met licht.

Vroeg ik me ook ooit af, totdat ik me realiseerde hoe radar werkt: er wordt een wijd signaal uitgezonden en objecten die in de weg staan, reflecteren een deel van de straling. Naarmate je verder weg ben van een dergelijk object, krijg je minder respons van het teruggekaatste signaal, omdat het signaal als het ware 'uitwaaiert'.

Met een laser krijg je bijna alles terug qua intensiteit als wat je hebt uitgezonden. Op interplanetaire schaal is echter meer vermogen nodig en richtkunst of de actieve lasermeettechniek zoals in het artikel beschreven is.

Het blijkt, volgens het originele artikel, dat de snelheid van de radio signalen niet goed vaststaat omdat de ruimte tussen de planeten niet volledig vacuum is.
Afstand metingen met optische lasers hebben daar minder last van en de nauwkeurigheid van de afstand metingen wordt hiermee sterk verbeterd.

Verder is de snelheid van radiosignalen hetzelfde als voor licht aangezien het beide elektromagnetische golven zijn.

[Reactie gewijzigd door gordian op 24 juli 2024 13:17]

[Bilbo.Balings]

[...]


Vroeg ik me ook ooit af, totdat ik me realiseerde hoe radar werkt: er wordt een wijd signaal uitgezonden en objecten die in de weg staan, reflecteren een deel van de straling. Naarmate je verder weg ben van een dergelijk object, krijg je minder respons van het teruggekaatste signaal, omdat het signaal als het ware 'uitwaaiert'.

Met een laser krijg je bijna alles terug qua intensiteit als wat je hebt uitgezonden. Op interplanetaire schaal is echter meer vermogen nodig en richtkunst of de actieve lasermeettechniek zoals in het artikel beschreven is.


[...]


Verder is de snelheid van radiosignalen hetzelfde als voor licht aangezien het beide elektromagnetische golven zijn.

Op zich heb je gelijk dat licht en radio signalen even snel gaan echter is dat alleen het geval in een volledig vacuüm. De ruimte tussen de planeten in ons zonnestelsel blijkt echter niet volledig vacuüm te zijn en dan gaat die vlieger niet op. Op zich zou dat niet zo'n groot probleem hoeven te zijn ware het niet dat de dichtheid ook nog varieert waardoor er niet voor deze verschillen gecorrigeerd kan worden.

De snelheid van licht wordt minder beïnvloed door de mate van vacuüm dan radiosignalen en daardoor is de nauwkeurigheid veel groter.

Uit het originele artikel:

"Radio frequency (RF) techniques are limited by uncertainties in the intervening medium that can slow down the radio wave by a variable amount," Birnbaum said. "The effects of the medium—that the gap between the spacecraft and the ground terminal is not a completely empty vacuum—are smaller at optical frequencies.

Read more at: http://phys.org/news/2013...ision-laser-mars.html#jCp


Overigens waait een laser bundel ook uit, de laser die ingezet wordt bij afstand metingen van de Maan produceert een lichtvlek van meerdere voetbalvelden groot.

[Reactie gewijzigd door Bilbo.Balings op 24 juli 2024 13:17]

[HMC]

^{Met een laser krijg je bijna alles terug qua intensiteit als wat je hebt uitgezonden.}

Maar richten is dan met licht wel weer veel belangrijker. Radar hoeft minder gericht te worden.

[Verwijderd]

Vroeg ik me ook ooit af, totdat ik me realiseerde hoe radar werkt: er wordt een wijd signaal uitgezonden en objecten die in de weg staan, reflecteren een deel van de straling. Naarmate je verder weg ben van een dergelijk object, krijg je minder respons van het teruggekaatste signaal, omdat het signaal als het ware 'uitwaaiert'.

Met een laser krijg je bijna alles terug qua intensiteit als wat je hebt uitgezonden.

Totale onzin! Met een laser werkt het exact hetzelfde als met een radar. Ook een laser waaiert uit. Op een korte afstand van enige meters is een laser een mooie bundel, maar op afstanden van duizende km's waaiert een laser op exact dezelfde manier (1/r²) uit als ieder ander signaal.

Ook bij lasers krijg je dus maar een minimale hoeveelheid intensiteit terug. Er is op dat punt geen enkel verschil met radar.

Het gaat 'm (zoals het artikel aangeeft) puur om de invloed van de materie in de ruimte tussen de planeten.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 24 juli 2024 13:17]

[hardwareaddict]

Dit zou wel eens heel belangrijk kunnen zijn als het echt goed blijkt te werken.

Vooralsnog is 0.14 mm niet veel op het eerste gezicht, maar als dat straks bij het meten van de afstand van planeet tot planeet ineens 0.14mm afwijking per zoveel kilometer is, dan loopt de schade snel op.

[DarkTemple]

"...kan een bundel niet oneindig ver reiken."

Ik dacht dat licht wel erg ver kon komen, ja niet oneindig misschien, maat toch... Wij zien toch ook licht van sterren die vele lichtjaren ver staan?

[Znorkus]

Tsja, maar maak maar eens een gerichte lichtbron met de helderheid van een ster. Dat valt om den drommel niet mee ;-) Licht van een ster verstrooit ook, maar omdat het zo hondsveel licht is blijft er meer dan genoeg over om flink wat duizenden lichtjaartjes ver te reizen, in min of meer herkenbare vorm.

[Verwijderd]

Voor positiebepaling is niet alleen een afstand maar ook een hoek nodig. Als je dan zo'n richtpunt op mars hebt, is het nog steeds zeer moeilijk om de exacte plaats van dat punt ten opzichte van het referentiepunt op aarde te meten, want je kan de hoek zeker niet zo nauwkeurig bepalen. Dus een afwijking van duizende kilometers voor de positiebepaling lijkt me al zeer goed.

[Bilbo.Balings]

Goed gezien, gelukkig is het bepalen van hoeken al vele eeuwen geen probleem. Tycho Brahe kon planeet posities al zo goed meten dat Johannes Kepler met die gegevens kon vaststellen dat de planeten geen cirkelvormige baan volgen maar een ovale baan. Dit soort metingen weren vroeger gedaan met instrumenten zoals het octant of quadrant en het komt er op neer dat de hoek gemeten wordt tussen een "vaste" ster en de planeet.

De ster posities werden dan weer heel nauwkeurig vastgelegd met een Transit Instrument en tegenwoordig met satellieten zoals de Hiparcos.

Op een gegevn ogenblik konden deze metingen zo nauwkeurig worden uitgevoerd dat de kennis over afstanden en posities van de Hemellichamen,in het Zonnestelsel, steeds beter werd.

Nu gaat men weer een grote sprong verder in het verbeteren van deze kennis met potentieel veel nieuwe inzichten.

[Reactie gewijzigd door Bilbo.Balings op 24 juli 2024 13:17]

[Verwijderd]

Mooi, maar bij 1 centimeter over een afstand van 225 miljoen kilometer (aarde-mars), spreken we over een hoek van 4,4 * 10^-9 radialen. Kan de apparatuur die u opnoemt zo nauwkeurig hoeken meten? Er is nog steeds een reuze verschil tussen het bepalen van de baan van een planneet het exact kennen van de positie van een welbepaald punt op die planeet.

Edit: een beetje opzoerkwerk gedaan. De European Space Agency's Gaia mission (launch in 2013), zal hoeken kunnen meten van 10 micro-boogseconden wat aardig in de buurt ligt.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 24 juli 2024 13:17]

[HansMonasso]

Wanneer aan beide kanten actieve apparatuur staat, dan kun je dit toch ook gebruiken voor supersnelle communicatie?

[Ortep]

Ja, met de lichtsnelheid..oh...dat konden we al, met radiogolven die precies even snel gaan

[HansMonasso]

Check dit dan maar even: http://ieeexplore.ieee.or....jsp%3Farnumber%3D4378253

[Ortep]

En wat blijkt daar uit?
Dat ze de versterking hebben opgevoerd? Leuk
Dat ze meer bits per seconden kunnen versturen daardoor? Leuk
Maar het gaat nog steeds met de snelheid van het licht.

Als de 'oude systemen' 1 minuut nodig hadden om een hoeveelheid data te verzenden en het nieuwe systeem kan dat in 6 seconden, dan lijkt dat wel 10x sneller, maar het bericht is nog steeds een half uur onderweg.

Het is een beetje als: We kunnen in één treinwagon 50 mensen kwijt. En om 100 mensen te vervoeren hebben we er dus twee nodig. En als je van Rotterdam naar Zwolle rijdt ben je bijna 2 uur onderweg met de trein.

Nu bouwen we een nieuwe trein en dat is een dubbeldekker. Daar kunnen 100 mensen in één wagon. Dus kunnen we twee keer zoveel mensen vervoeren. Maar ze zijn echt niet sneller in Zwolle

[MicGlou]

Nu bouwen we een nieuwe trein en dat is een dubbeldekker. Daar kunnen 100 mensen in één wagon. Dus kunnen we twee keer zoveel mensen vervoeren. Maar ze zijn echt niet sneller in Zwolle

Dat ligt er maar helemaal aan... probeer het grotere plaatje eens; bijvoorbeeld hoeveel mensen/data staan er nog meer te wachten? Als jij er nu 100 ipv 50 per rit kan vervoeren, maar er staan dagelijks 1000 forenzen/bytes te wachten... dan ben je dus 2x zo snel klaar, want je hoeft immers maar de helft van het aantal ritten te doen.

[Ortep]

Ortep
13 juli 2013 18:34

Je bent _echt_ niet twee keer zo snel klaar als een wagon twee keer zoveel mensen kan bevatten. Hooguit is de machinist eerder klaar omdat hij minder vaak heen en weer moet rijden. Voor de individuele reiziger maakt het niets uit. Die blijft een reistijd van 2 uur houden
Bij fysieke treinen kan je aanvoeren dat je misschien minder wagons nodig hebt, voor de reiziger maakt het weinig uit.

Maar in principe hoeft er nooit iemand te wachten als de trein korter is dan de afstand Rotterdam Zwolle. Dan neem je maar meer wagons. Het helpt niet ze breder of hoger te maken

De snelheid neemt niet toe, de hoeveelheid zitplaatsen wel. De reiziger heeft er pas wat aan als die trein ipv 125 km/h 250 km/h gaat rijden.
En bij dataverkeer komt er nog bij dat als iets op een half lichtuur hier vandaan ligt en je vraagt gegevens op, dat het een half uur duurt voor het verzoek aangekomen is. Wordt er direct een antwoord gegeven dat 1 minuut duurt, dan is de totale omloopt tijd 3660 seconden. Kan je je datadichtheid verhogen met een factor 10, dan is je boodschap nog maar 6 seconden. Maar de totale omlooptijd is dan 3606 seconden. Wauw.....1.5% winst. Terwijl je toch 1000% verbetering hebt in je datadichtheid.
Maar dan nog heb je er uitsluitend wat aan als je pas wat met de boodschap kan doen nadat het laatste bitje is binnengekomen. Is het bv een videoboodschap, dan maakt al helemaal niets uit. Als het 5 minuten video is, dan gaat die gewoon spelen na 3600 seconden en hij is klaar op seconde 3900 Dan maakt het helemaal niets uit of het verzenden van de rest 1 of 299 seconden duurt.

Hier zie je duidelijk het verschil wat door afstand wordt veroorzaak. Hier binnen Nederland zeg je dat 10 MB internet sneller is dan 1MB . Dat klopt ook, als je iets wil downloaden is het 10 keer sneller binnen. De lichtsnelheid heeft daar weinig invloed op binnen die 300 km die Nederland groot is. Maar zodra je het over lichturen gaat hebben en ping tijden van 30-90 minuten dan is je begrenzing niet meer het aantal bits per seconde, maar hoe lang ze er over doen om ergens aan te komen. Je kan niet boven de lichtsnelheid uit komen

Vergelijk het met de post, als je een DVD besteld uit China, dan maakt het heel weinig uit of ze er 5 of 6 dagen over doen met de post. En bestel je een dubbel DVD dan duurt het nog steeds 5-6 dagen voor je hem hebt. Maar het is wel twee keer zoveel data. Dus je kan wel zeggen dat de datasnelheid is verdubbeld, maar wat merk je er van?

[Reactie gewijzigd door Ortep op 24 juli 2024 13:17]

[Reflian]

je gaat wel voorbij aan het hele punt. Dat je altijd een vertraging hebt van de snelheid van het licht is logisch, maar dat doet niet af aan de belangrijkheid van deze ontwikkelingen. Dacht je soms dat ze alleen hello world vanaf mars terug sturen? Het draait er juist om dat je grote hoeveelheden data kan ontvangen voor onderzoek. Nu kan er bijv een berg full hd streams of 4k streams + alle overige data "live" verstuurd worden, dat je een half uur moet wachten voor hij begint is van ondergeschikt belang in dit geval. Het gaat juist niet om de individuele reiziger in jouw voorbeeld, maar om of de NS het voor elkaar kan boksen om een miljoen reizigers per seconde in Amsterdam af te leveren. De reizigers hebben namelijk elk belangrijke informatie en hoe meer hoe beter.

Hetzelfde zie je al in jouw simpele voorbeeld als je een antwoord wilt sturen dat oorspronkelijk een dag duurde, dat duurt nu dus significant veel korter en is het halfuur ineens slechts een percentage.

[Reactie gewijzigd door Reflian op 24 juli 2024 13:17]

[trogdor]

Al die posts over het verschil tussen Latency en Bandwidth...

[firest0rm]

vraag me af wat sneller is het aan/uit zetten van een radiogolf of een licht bron?

[0rbit]

Dat zal in de praktijk nauwelijks uitmaken. Radiogolven hebben een groot voordeel, namelijk dat je ze gemakkelijker kunt moduleren en dat ze door stof/wolken penetreren. Licht heeft daar een te korte golflengte voor.

[Durandal]

maakt niet uit. Die vertraging heb je maar een keer, dus je winst is hooguit 1 Tdelay op de hele datatransmissie.

[hardwareaddict]

Voor starwars is een lichtbron handiger natuurlijk

[_ferry_]

Toch is het mij nog niet echt duidelijk hoe je een meting op deze manier nauwkeuriger krijgt dan met een spiegel. Ook het originele artikel gaat daar niet echt op in. Alleen dat het beter is dan de spiegel.
Is het vanwege het feit dat de transreceiver niet alleen op de lichtpulsen reageert, maar ook rekening houd met de golflengte?
Of omdat de 2e laser weer een nieuwe bundel genereert waardoor je minder last hebt van dispersie?

[the_stickie]

Een spiegel zou de ontvangen straal nog in de juiste richting moeten reflecteren, en dat is niet evident. Bovendien zou de lichtstraal nog beter gefocust en nog energetischer moeten zijn om 2x de te meten afstand af te leggen, én zou een zeer goede spiegel nodig zijn!

[mphjens]

Het feit dat je een ontvanger (aan de overkant) moet hebben maakt het wel een stuk minder praktisch. Of begrijp ik het verkeerd?

[Flozem]

Precies mijn eerste gedacht toen ik las dat deze interplanetaire laser gebruikt kan worden om afstanden te meten. Me dunkt dat je de afstand al weet wanneer je aan de andere kant apparatuur moet neerzetten...

[Verwijderd]

Inderdaad een stuk minder praktisch... maar aangezien we toch al wagentjes hebben rondreiden op Mars, is het wat die planeet betreft, niet zo'n probleem.

[Sir Isaac]

Bij conventioneel laser ranging wordt een puls vanaf de aarde naar een punt p gestuurd. De verzwakking is 1/r^2. Licht dat door p wordt teruggekaatst zwakt weer af als 1/r^2, zodat de verzwakking van het ontvangen signaal als 1/r^4 gaat.
Bij de beschreven techniek wordt vanaf p actief een nieuwe laserpuls teruggestuurd zodat je maar een keer 1/r^2 verzwakking van het ontvangen signaal hebt. Dat scheelt een boel.

Hoewel een laserbundel uit coherent licht bestaat en veel minder last heeft van verstrooiing dan zichtbaar licht, kan een bundel niet oneindig ver reiken.

Dat zijn twee fouten. Lichtverstrooiing heeft vooral met de golflengte te maken: total scatter is ongekeerd evenredig met de 4e macht van de golflengte, als de verstrooiende deeltjes veel kleiner zijn dan de golflengte. Dat heeft niets met coherentie te maken. Je hebt wel een coherentie bundel nodig om een lage divergentie te bereiken, en dan een bundel met de grootst mogelijke diameter: de divergentie is omgekeerd evenredig met de bundel diameter. Vandaar:

"In principle, this approach could be scaled up to any interplanetary distance by increasing the size of the telescopes," Birnbaum told Phys.org. "We calculated that ranging from Earth to Mars or Jupiter should be achievable with quite modest telescopes of 1 m in diameter on Earth and 15 cm on the spacecraft."

De tweede fout dat laserlicht uiteraard heel goed zichtbaar kan zijn, anders zouden laserpointers niet erg nuttig zijn. Zou een tweaker toch moeten weten.

[Reactie gewijzigd door Sir Isaac op 24 juli 2024 13:17]

[- peter -]

Hoewel een laserbundel uit coherent licht bestaat en veel minder last heeft van verstrooiing dan zichtbaar licht, kan een bundel oneindig ver reiken. Het meten van afstanden met een passieve lasermeettechniek is daarom beperkt:.

Beetje vreemde zin? Moet dat niet zijn dat hij niet oneindig ver kan reiken? Ik snap hem niet.

[Znorkus]

Yeah dat lijkt me wel. Zie je juist onder de titel het zinnetje:
Door Willem de Moor, zaterdag 13 juli 2013 16:16, reacties: 1, views: 207 • Feedback?
daar kan je dit soort tikfoutjes kwijt (al gedaan trouwens, het viel mij ook op).

Supergave techniek trouwens. Landmeting XXL!

[freaq]

is een typo inderdaad *is een linkje voor

maargoed zelfs al heb je een perfecte laser, dingen zoals de verstrooiing van de atmosfeer gooien (letterlijk) roet in het eten, punt is natuurlij dat je nu ook een laser op de planet moet zetten waar je de afstand toe wil meten, wat vrij onpractisch is natuurlijk, (aangezien je er dan eerst heen moet, en als je dat doet dan weet je eigk al waar die planeet is en gaat zijn)

maargoed de extra precisie kan wel handig zijn op aarde natuurlijk.
of zo'n laser op een sateliet zetten, (geostationair) en gebruiken voor landmetingen met een laser in de apparatuur bijv.

dus kan best nuttig zijn. maar om de afstand te meten tussen planeten is het een beetje omslachtig.

[crizyz]

Nopgal offtopic maar:
Wat eet jij dan dat de atmosferische verstrooiing van laser er letterlijk roet ingooit?

[pm1]

Mag ik vragen wat de death star met dit artikel te maken heeft ? is zo wat een vreemde eend in de bijt vind je niet ?

Overigens zeer interessante techniek

[laptopleon]

"De actieve meettechniek maakt gebruik van actieve zenders en ontvangers aan beide kanten van de te overbruggen afstand."

Wordt dat geen probleem, zelfs als je een compatibel setje op Mars hebt staan, aangezien Mars en de aarde onafhankelijk van elkaar met een bloedgang rond de zo'n draaien? Licht gaat snel maar tegen de tijd dat die laserstraal er is, minimaal zo'n 13 minuten later, zijn we toch al flink 'verschoven'.

[trogdor]

Dat heet 'leading your shots'.