Russiske fysikere løser radioblack-out-problem for at komme ind i rumfartøjer igen

Når rumfartøjer vender tilbage til Jorden, er en af ​​de mest spændte dele af missionen radioblackoutet, der opstår, når køretøjet kommer ind i atmosfæren igen. Rumfartøjet rejser med hypersoniske hastigheder på mellem 8 og 15 Mach og opvarmer og nedbryder molekyler i atmosfæren, hvilket får plasma til at dannes. Det er denne plasmakappe, der forhindrer radiokommunikation.

For bemandede rumfartøjer, der kommer ind igen fra kredsløb, varer radioens blackout et par minutter, hvilket skaber svedige håndflader for alle berørte.

I årenes løb har talrige grupper undersøgt forskellige måder omkring dette problem. En idé er at bruge lavfrekvente signaler, der ikke blokeres af plasmaet. Disse giver dog kun lave datahastigheder.

En anden er at forme fartøjet, så plasmaet ikke dannes i visse områder, hvor der kan placeres en radioantenne. Men det betyder, at hele køretøjet skal designes omkring kommunikationssystemet, som så ikke kan ændres.

Endnu en idé er at placere radioantennen i næsespidsen, så den stikker ud over plasmaet. Dette tillader radiokommunikation, indtil antennen slides på grund af ablation.

Ingen af ​​disse løsninger er ideelle. Men i dag afslører Aleksandr Korotkevich ved Landau Instituttet for Teoretisk Fysik i Moskva og et par venner en ny måde at omgå dette problem på.

Deres idé er at bruge egenskaberne af selve plasmaet til at påvirke transmissionen på samme måde som en judoekspert bruger styrken og bevægelsen fra en modstander til at besejre ham. Dette virker som en enkel og elegant tilgang.

Først lidt baggrund. Plasmaer absorberer elektromagnetiske bølger tæt på en særlig resonansfrekvens kaldet plasmafrekvensen, som afhænger af plasmaets egenskaber, såsom dens tæthed.

Korotkevich og co påpeger, at ethvert indkommende signal tæt på denne frekvens både reflekteres og absorberes af plasmaet. Det reflekterede signal går tabt, men den absorberede energi opretter et elektrisk resonansfelt i en vis dybde med plasmaet.

Det er en afgørende pointe. Faktisk fungerer dette lag i plasmaet som en radioantenne, der modtager signalet. Signalet kan dog ikke rejse videre gennem plasmaet til rumfartøjet.

Den nye idé er at zappe dette lag med radiobølger genereret inde fra rumfartøjet. Disse bølger vil både blive absorberet af plasmaet og reflekteret tilbage inde i rumfartøjet. Det vigtigste er imidlertid, at de reflekterede bølger bør moduleres af ændringer i det elektriske felt i plasmaet.

Med andre ord skal de reflekterede bølger bære en slags aftryk af det originale eksterne radiosignal. Det ville give jordkontrol mulighed for at kommunikere med deres astronauter.

Korotkevich og venner siger, at den samme idé kan bruges omvendt til at transmittere signaler. I dette tilfælde skal du blot sprænge plasmakappen inde fra rumfartøjet med det signal, de ønsker at sende. Dette overfører udsendelsessignalet til plasmaets indre elektriske felt, som derefter udsender et meget svagere signal til atmosfæren.

Korotkevich og co siger, at transmissionssignalets svaghed ikke betyder noget, fordi jordbaserede modtagere kan gøres enormt følsomme, bestemt meget mere end mobile.

Det er en smart idé. Faktisk gør de plasmakappen til en kæmpe antenne, der både modtager og transmitterer beskeder. Og de siger, at det kan opnås med standardsendere, der fås mere eller mindre hylden i dag.

Der er selvfølgelig nogle forbehold. Hvis undersøgelsen, de udgiver i dag, er interessant, betragter den kun en idealiseret sag, og der skal tages højde for adskillige ekstra detaljer for at få en prototype til at fungere.

Et spørgsmål er for eksempel, om radiosignalerne vil ændre plasmaets aerodynamiske adfærd og skabe ustabilitet, der kan bringe fartøjet i fare.

Korotkevich og co siger nej, fordi radiosignalerne varierer meget hurtigere end nogen plasma-ustabilitet. Faktisk kan plasmaet opfattes som frosset ved radiofrekvenser, siger de.

Dette udelukker dog ikke ikke-lineære effekter, der kan tillade små ustabiliteter at vokse hurtigt. Det er noget, der skal undersøges nærmere.

Selvfølgelig kommer den store interesse sandsynligvis fra militæret. Mens radio-black-out er lidt mere end irriterende for menneskelige missioner, er det en alvorlig begrænsning for militære fartøjer såsom ballistiske missiler eller hypersoniske fly. Radio black out forhindrer disse køretøjer i at få adgang til GPS-signaler til navigation og tillader ikke, at de bliver målrettet eller deaktiveret i sidste øjeblik.

Hvis Korotkevich og co har fundet en praktisk måde at løse dette problem på, vil deres ideer sandsynligvis være enormt værdifulde i visse kredse.

Ref: arxiv.org/abs/0704.3103 : Kommunikation gennem plasmaskeder

skjule