Den Mond mit Glasfasern durchleuchten
ETH-Forschende prüfen, ob Glasfaserkabel als leichte Sensoren auf dem Mond
eingesetzt werden könnten, um ihn flächendeckend zu überwachen.
Die Laser-Technologie nutzt Vibrationen von Mondbeben oder
Meteoriteneinschlägen, um das Innere des Mondes wie mit einem Ultraschall
abzubilden.
Da es auf dem Mond keinen Wind gibt, der die Messungen stören würde,
funktionieren die Kabel dort sogar besser als auf der Erde.
Lange ist es her: 1972 stellten die letzten Apollo-Astronauten seismische
Instrumente auf dem Mond auf. Diese Instrumente waren bis 1977 in Betrieb
und sammelten Tausende von Daten über Mondbeben. Auch heute stützen sich
Wissenschaftler auf diese Daten, die jedoch nur einen flüchtigen Einblick
in das Innere des Mondes bieten.
Deshalb prüfen Forschende der ETH Zürich unter der Leitung von Johan
Robertsson, Professor für Angewandte Geophysik, einen neuen Ansatz zur
Untersuchung der inneren Struktur des Mondes. Mit von der Partie sind auch
internationale Partner, darunter das Los Alamos National Laboratory in New
Mexico, USA.
Die Idee ist: Statt jede Menge schwerer Seismometer aufzustellen, könnte
ein kleiner Mond-Rover kilometerlange, sehr leichte Glasfaserkabel über
die Mondoberfläche ausrollen. Die Kabel funktionieren wie tausende
winziger Sensoren, die jede Erschütterung durch Mondbeben,
Meteoriteneinschläge oder Mondlandungen registrieren. Der neue Ansatz
wurde soeben in der Zeitschrift externe SeiteEarth and Space Science
veröffentlicht.
Mit Lichtstreuung Mondbeben erkennen
Für ihr Vorhaben nutzen die Forschenden die sogenannte DAS-Technologie
(Distributed Acoustic Sensing). Dabei sendet ein Laser Lichtpulse durch
ein Glasfaserkabel. Winzige Unregelmässigkeiten in der Faser streuen das
Licht, was mit einem Messgerät aufgezeichnet wird.
Versetzen nun seismische Wellen das Kabel in Schwingung oder dehnen es,
verändert das die Lichtstreuung. Indem die Wissenschaftler:innen das
gestreute Licht analysieren, können sie seismische Wellen erkennen. Die
Zeitverzögerung der Signale zeigt, wo entlang des Kabels die Bewegung
aufgetreten ist.
Eine einzelne Faser, die so breit ist wie ein menschliches Haar, fungiert
wie Tausende gleichmässig verteilter Sensoren. Selbst ein nur wenige
Kilometer langes Kabel kann Signale mit einer höheren räumlichen Auflösung
aufzeichnen als ein herkömmliches Netz von Seismometern.
Auf der Erde nutzen Forschende die DAS-Technologie bereits, um Erdbeben
und Erdrutsche zu überwachen oder sogar die Wanderungen von Walen in den
Ozeanen nachzuverfolgen.
Ultraschall für den Mond
Die ETH-Forschenden fassen auch weitere Anwendungen ins Auge. «Die
Erschütterungen, die Landungen und Starts von Raumfahrzeugen erzeugen,
könnten als aktive seismische Quellen dienen und somit dazu, die
Strukturen unter der Mondoberfläche ähnlich wie bei einem medizinischen
Ultraschall abzubilden», sagt Simone Probst, Hauptautorin der Studie und
Doktorandin in Robertssons Gruppe.
Die Kabel könnten auch messen, wie viel Mondstaub Raketen bei ihrer
Landung durch den Rückstoss aufwirbeln. Das hilft zukünftigen
Astronaut:innen, die Gefahren durch den extrem feinen Staub besser
einzuschätzen und zu vermeiden.
Warum der Mond der perfekte Einsatzort ist
Der Mond ist ideal für die Erfassung von Beben mit Glasfaserkabeln. Probst
und Carly Donahue, eine ehemalige leitende Wissenschaftlerin an der ETH
Zürich, führten in Los Alamos Tests mit zerkleinertem Basalt durch, um die
von feinem Regolith bedeckte Mondoberfläche nachzustellen.
Diese Labortests zeigten gute Ergebnisse: Dickere Kabel nahmen seismische
Signale genauso gut auf, unabhängig davon, ob sie auf der Oberfläche lagen
oder im Basalt vergraben waren.
«Es ist wichtig zu verstehen, wie sich die Kabel unter verschiedenen
Bedingungen verhalten», sagt Probst. «Wir haben zudem mit
Computersimulationen untersucht, wie stark die Kabel mit dem Boden
verbunden sind und wie sich das durch die Mondschwerkraft verändert.»
Forschende fanden schon früher heraus, dass Wind die Signale von
Glasfaserkabeln auf der Erde verändert. Auf dem Mond gibt es jedoch keine
Atmosphäre und deshalb auch keinen Wind. Die Kabel könnten deshalb einfach
auf der Oberfläche ausgerollt werden, ohne sie zu vergraben. Die Tests der
Forschenden mit künstlichem Mondstaub im Labor zeigten, dass die Kabel die
Signale auch dann perfekt empfangen, wenn sie einfach nur flach auf dem
Boden liegen.
Die Suche nach Wasser und Lavaröhren
«Glasfasersensorik könnte unser Verständnis des Mondes, seines Inneren,
seiner Lavaröhren, seiner Landeplätze und seiner Wasserressourcen stark
erweitern», sagt ETH-Professor Johan Robertsson, der die Studie geleitet
hat. «Lange Kabel könnten auch Signale von Gezeitenkräften auffangen, die
durch die Schwerkraft der Erde verursacht werden.»
Die Technik könnte Forschenden helfen, ein besseres Verständnis dafür zu
entwickeln, wie sich seismische Wellen durch den Mond verbreiten. «Wir
halten es sogar für möglich, dass wir mit Glasfasern auf dem Mond
Gravitationswellen detektieren, die die Eigenmoden des Mondes anregen»,
sagt Robertson.
Für das Team der ETH Zürich ist die aktuelle Forschung Teil eines
umfassenderen Projekts zur Entwicklung von neuen Sensortechnologien. Ist
es erfolgreich, dehnen sich vielleicht dereinst Glasfasernetzwerke über
die Mondoberfläche aus – und machen den Mond zu einem der am dichtesten
mit Instrumenten ausgestatteten seismischen Labore ausserhalb der Erde.
