Lần đầu tiên trên mặt trăng, một chùm tia laser được truyền và phản xạ giữa tàu vũ trụ của NASA đang quay quanh và một thiết bị cỡ Oreo trên tàu đổ bộ Vikram của ISRO (Tổ chức nghiên cứu vũ trụ Ấn Độ) trên bề mặt mặt trăng. Thí nghiệm thành công mở ra cánh cửa cho một phong cách mới nhằm định vị chính xác các mục tiêu trên bề mặt mặt trăng.
Tàu đổ bộ Vikram của ISRO (Tổ chức nghiên cứu vũ trụ Ấn Độ), với vật phản xạ ngược của NASA trên đó, đã chạm xuống mặt trăng vào ngày 23 tháng 8 năm 2023. Máy ảnh trên LRO (Tàu quỹ đạo trinh sát mặt trăng) của NASA đã chụp bức ảnh này bốn ngày sau đó. Tàu đổ bộ nằm ở trung tâm của hình ảnh, bóng tối của nó hiện rõ trên nền quầng sáng xung quanh. Quầng sáng hình thành sau khi chùm tên lửa tương tác với lớp regolith hạt mịn (tương tự như đất) trên bề mặt mặt trăng. Hình ảnh hiển thị một khu vực rộng 1 dặm hoặc 1,7 km. Nhà cung cấp hình ảnh: Trung tâm bay không gian Goddard của NASA/Đại học bang Arizona
Vào lúc 3 giờ chiều theo giờ EST ngày 12 tháng 12 năm 2023, LRO (Tàu quỹ đạo trinh sát mặt trăng) của NASA đã hướng thiết bị đo độ cao bằng laser của mình về phía Vikram. Tàu đổ bộ cách LRO 100 km, gần miệng núi lửa Manzinus ở vùng cực nam của mặt trăng, khi LRO truyền xung laser về phía nó. Sau khi tàu quỹ đạo ghi lại ánh sáng phản xạ trở lại từ một vật phản xạ ngược nhỏ của NASA trên tàu Vikram, các nhà khoa học của NASA biết rằng kỹ thuật của họ cuối cùng đã hoạt động.
Gửi các xung laser về phía một vật thể và đo khoảng thời gian ánh sáng phản xạ trở lại là cách thường được sử dụng để theo dõi vị trí của các vệ tinh quay quanh Trái đất từ mặt đất. Nhưng các nhà khoa học cho biết, việc sử dụng kỹ thuật ngược lại – để gửi các xung laser từ tàu vũ trụ đang chuyển động đến tàu vũ trụ đứng yên để xác định vị trí chính xác của nó – có nhiều ứng dụng trên mặt trăng.
Xiaoli Sun, người đứng đầu nhóm nghiên cứu tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, người đã phát triển vật phản xạ ngược trên Vikram, cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể xác định vị trí vật phản xạ ngược trên bề mặt từ quỹ đạo của mặt trăng”. giữa NASA và ISRO. “Bước tiếp theo là cải tiến kỹ thuật để nó có thể trở thành thói quen cho các sứ mệnh muốn sử dụng các vật phản xạ ngược này trong tương lai.”
Chỉ rộng 2 inch hoặc 5 cm, vật phản xạ ngược nhỏ bé nhưng mạnh mẽ của NASA, được gọi là Mảng phản xạ tia laser, có tám lăng kính khối thạch anh góc được đặt trong một khung nhôm hình mái vòm. Các nhà khoa học cho biết thiết bị này đơn giản và bền bỉ, không cần nguồn điện hay bảo trì và có thể tồn tại trong nhiều thập kỷ. Cấu hình của nó cho phép bộ phản xạ ngược phản xạ ánh sáng đi vào từ bất kỳ hướng nào trở lại nguồn của nó.
Vật phản xạ ngược có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng trong khoa học và thám hiểm, và trên thực tế, chúng đã được sử dụng trên mặt trăng kể từ thời Apollo. Bằng cách phản chiếu ánh sáng trở lại Trái đất, vật phản xạ ngược cỡ chiếc vali tiết lộ rằng mặt trăng đang di chuyển ra khỏi hành tinh của chúng ta với tốc độ 1,5 inch (3,8 cm) mỗi năm.
Thế hệ vật phản xạ ngược nhỏ bé mới này thậm chí còn có nhiều ứng dụng hơn so với thế hệ trước lớn hơn của chúng. Trên Trạm vũ trụ quốc tế, chúng được sử dụng làm điểm đánh dấu chính xác giúp tàu vũ trụ vận chuyển hàng hóa tự động cập bến.
Chỉ rộng 2 inch hoặc 5 cm, Mảng phản xạ tia laser của NASA có tám lăng kính khối góc thạch anh được đặt trong một khung nhôm hình vòm. Cấu hình này cho phép thiết bị phản chiếu ánh sáng tới từ bất kỳ hướng nào trở lại nguồn của nó. Tín dụng: Trung tâm bay không gian Goddard của NASA
Ví dụ, trong tương lai, họ có thể hướng dẫn các phi hành gia Artemis lên bề mặt trong bóng tối hoặc đánh dấu vị trí của các tàu vũ trụ đã ở trên bề mặt, giúp các phi hành gia hoặc tàu vũ trụ chưa được điều khiển hạ cánh cạnh họ.
Nhưng còn nhiều việc phải làm trước khi vật phản xạ ngược có thể thắp sáng mặt trăng. Rào cản lớn nhất đối với việc áp dụng ngay lập tức là máy đo độ cao của LRO, đã hoạt động được 13 năm sau nhiệm vụ chính của nó, hiện là thiết bị laser duy nhất quay quanh mặt trăng. Nhưng thiết bị này không được thiết kế để xác định mục tiêu; kể từ năm 2009, máy đo độ cao—được gọi là LOLA—đã chịu trách nhiệm lập bản đồ địa hình của mặt trăng để chuẩn bị cho các sứ mệnh lên bề mặt.
Daniel Cremons, nhà khoa học Goddard của NASA làm việc với Sun, cho biết: “Chúng tôi muốn LOLA chỉ vào mục tiêu có kích thước bằng Oreo này và bắn trúng nó mọi lúc. Điều này thật khó khăn”. Máy đo độ cao phải mất tám lần cố gắng liên lạc với vật phản xạ ngược của Vikram.
LOLA hoạt động bằng cách gửi năm chùm tia laser về phía mặt trăng và đo xem mỗi tia sẽ mất bao lâu để phản xạ trở lại (ánh sáng quay trở lại càng nhanh, khoảng cách giữa LOLA và bề mặt càng ít, và do đó độ cao ở khu vực đó càng cao). Mỗi chùm tia laser bao phủ một khu vực rộng 32 feet hoặc 10 mét, từ độ cao 62 dặm hoặc 100 km. Bởi vì có những khoảng trống lớn giữa các chùm tia, nên chỉ có một khả năng nhỏ là xung laser có thể tiếp xúc với một vật phản xạ ngược trong mỗi lần tàu quỹ đạo mặt trăng bay qua tàu đổ bộ.
Máy đo độ cao rất tốt để phát hiện các miệng núi lửa, đá và tảng đá để tạo ra bản đồ độ cao toàn cầu của mặt trăng. Nhưng chúng không lý tưởng để chỉ vào trong phạm vi một phần trăm độ của vật phản xạ ngược, vốn là điều cần thiết để đạt được ping một cách nhất quán. Một tia laser trong tương lai có thể quét từ từ và liên tục lên bề mặt mà không có bất kỳ khoảng trống nào trong phạm vi phủ sóng sẽ giúp các vật phản xạ ngược nhỏ phát huy hết tiềm năng của chúng.
Hiện tại, nhóm nghiên cứu thiết bị phản xạ ngược thu nhỏ của NASA sẽ tiếp tục sử dụng máy đo độ cao bằng laser của LRO để giúp tinh chỉnh vị trí của các mục tiêu trên bề mặt, đặc biệt là tàu đổ bộ.
Một số thiết bị phản xạ ngược của NASA dự kiến sẽ bay trên tàu đổ bộ mặt trăng công cộng và tư nhân, bao gồm một chiếc trên tàu đổ bộ SLIM của JAXA (Cơ quan thám hiểm hàng không vũ trụ Nhật Bản), sẽ hạ cánh trên mặt trăng vào ngày 19 tháng 1 năm 2024 và một chiếc do Intuitive Machines, một công ty tư nhân chế tạo dự kiến phóng tàu vũ trụ lên mặt trăng vào giữa tháng 2. Máy trực quan sẽ mang sáu trọng tải của NASA, bao gồm cả thiết bị phản xạ ngược, theo sáng kiến Dịch vụ tải trọng mặt trăng thương mại (CLPS) của NASA.
