Rosyjscy fizycy rozwiązują problem zaciemnienia radia podczas ponownego wejścia statku kosmicznego

Kiedy statek kosmiczny wraca na Ziemię, jedną z najbardziej napiętych części misji jest zaciemnienie radia, które pojawia się, gdy pojazd ponownie wchodzi w atmosferę. Podróżując z naddźwiękową prędkością między 8 a 15 machów, statek kosmiczny nagrzewa się i rozbija cząsteczki w atmosferze, powodując tworzenie się plazmy. To właśnie ta osłona plazmowa uniemożliwia komunikację radiową.

W przypadku załogowego statku kosmicznego ponownie wchodzącego z orbity, zaciemnienie radia trwa kilka minut, powodując spocone dłonie dla wszystkich zainteresowanych.

Przez lata wiele grup badało różne sposoby obejścia tego problemu. Jednym z pomysłów jest użycie sygnałów o niskiej częstotliwości, które nie są blokowane przez plazmę. Zapewniają one jednak tylko niskie szybkości transmisji danych.

Innym jest takie ukształtowanie statku, aby plazma nie tworzyła się w pewnych obszarach, w których można umieścić antenę radiową. Oznacza to jednak, że cały pojazd musi być zaprojektowany wokół systemu komunikacji, którego nie można zmienić.

Jeszcze innym pomysłem jest umieszczenie anteny radiowej w kolcu w nosie tak, aby wystawała poza plazmę. Pozwala to na komunikację radiową, dopóki antena nie ulegnie zużyciu w wyniku ablacji.

Żadne z tych rozwiązań nie jest idealne. Ale dzisiaj Aleksandr Korotkevich z Instytutu Fizyki Teoretycznej Landaua w Moskwie wraz z kilkoma kumplami ujawniają nowy sposób obejścia tego problemu.

Ich ideą jest wykorzystanie właściwości samej plazmy do wywołania transmisji w taki sam sposób, w jaki ekspert judo wykorzystuje siłę i ruch przeciwnika, aby go pokonać. Wydaje się to prostym i eleganckim podejściem.

Najpierw trochę tła. Plazma pochłania fale elektromagnetyczne bliskie specjalnej częstotliwości rezonansowej zwanej częstotliwością plazmy, która zależy od właściwości samej plazmy, takich jak jej gęstość.

Korotkevich i wsp. zwracają uwagę, że każdy przychodzący sygnał o tej częstotliwości jest zarówno odbijany, jak i pochłaniany przez plazmę. Odbity sygnał jest tracony, ale pochłonięta energia tworzy rezonansowe pole elektryczne na pewnej głębokości z plazmą.

To kluczowy punkt. W efekcie ta warstwa w plazmie działa jak antena radiowa, odbierająca sygnał. Jednak sygnał nie może podróżować dalej przez plazmę do statku kosmicznego.

Nowy pomysł polega na zniszczeniu tej warstwy falami radiowymi generowanymi z wnętrza statku kosmicznego. Fale te będą zarówno pochłaniane przez plazmę, jak i odbijane z powrotem do wnętrza statku kosmicznego. Kluczową kwestią jest jednak to, że odbite fale powinny być modulowane przez wszelkie zmiany pola elektrycznego w plazmie.

Innymi słowy, odbite fale powinny nosić rodzaj odcisku oryginalnego zewnętrznego sygnału radiowego. To pozwoliłoby kontroli naziemnej komunikować się z ich astronautami.

Korotkevich i koledzy twierdzą, że ten sam pomysł można wykorzystać w odwrotnej kolejności do przesyłania sygnałów. W takim przypadku po prostu wysadź osłonę plazmową z wnętrza statku kosmicznego sygnałem, który chcą przesłać. W ten sposób przesyłany jest sygnał do wewnętrznego pola elektrycznego plazmy, które następnie emituje do atmosfery znacznie słabszy sygnał.

Korotkevich i współpracownicy twierdzą, że słabość sygnału transmisyjnego nie ma znaczenia, ponieważ odbiorniki naziemne mogą być bardzo czułe, z pewnością o wiele bardziej czułe niż mobilne.

To sprytny pomysł. W efekcie zamieniają osłonę plazmy w gigantyczną antenę, która zarówno odbiera, jak i przesyła wiadomości. I mówią, że można to osiągnąć za pomocą standardowych nadajników, które są dziś dostępne mniej lub bardziej na półce.

Oczywiście są pewne zastrzeżenia. Chociaż badanie, które dziś publikują, jest interesujące, uwzględnia tylko wyidealizowany przypadek i trzeba będzie wziąć pod uwagę wiele dodatkowych szczegółów, aby prototyp działał.

Na przykład jedno pytanie brzmi, czy sygnały radiowe zmienią aerodynamiczne zachowanie plazmy, tworząc niestabilność, która może zagrozić pojazdowi.

Korotkiewicz i spółka twierdzą, że nie, ponieważ sygnały radiowe zmieniają się znacznie szybciej niż jakakolwiek niestabilność plazmy. Mówią, że w efekcie plazmę można uznać za zamrożoną na częstotliwościach radiowych.

Nie wyklucza to jednak efektów nieliniowych, które mogą umożliwić szybki wzrost małych niestabilności. To jest coś, co będzie musiało zostać zbadane bardziej szczegółowo.

Oczywiście duże zainteresowanie prawdopodobnie wzbudzi wojsko. Podczas gdy brak łączności radiowej jest niewiele więcej niż irytującym dla ludzkich misji, jest poważnym ograniczeniem dla pojazdów wojskowych, takich jak pociski balistyczne czy samoloty naddźwiękowe. Wyłączanie radia uniemożliwia tym pojazdom dostęp do sygnałów GPS w celu nawigacji i nie pozwala na ponowne namierzenie ich lub rozbrojenie w ostatniej chwili.

Jeśli Korotkevich i spółka znaleźli praktyczny sposób rozwiązania tego problemu, ich pomysły mogą być bardzo cenne w pewnych kręgach.

Nr ref.: arxiv.org/abs/0704.3103 : Komunikacja przez osłony plazmowe

ukryć