美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的科学家提出了一项创新提案，利用位于地球最冷、最黑暗的陨石坑内的超稳定激光器在月球上建立一个类似 GPS 的导航系统。该计划旨在为未来的阿耳忒弥斯任务宇航员和航天器提供更独立的月球表面导航方式，减少对地球跟踪系统的依赖。
该概念探索了月球南极附近永久阴影的陨石坑，作为超高精度激光系统的理想自然环境。这些地区从未受到阳光直射，温度极低，能够为高度稳定的导航设备运行提供必要的条件。
月球陨石坑是天然的精密实验室
由于卫星的轴向倾斜度较低，月球上永久阴影的陨石坑永远不会接收到直接的太阳辐射。这些地质构造沉浸在永久的黑暗中，温度低至负 370 华氏度，约负 223 摄氏度，比冥王星还要冷。多年来，科学家们一直指出这些地区是潜在的冰冻库，是未来月球居住和科学研究的基本资源。
NIST 的研究建议使用硅光学腔，这是一种通过在相隔一定距离的镜子之间反射激光来稳定激光的装置。该设备将作为自给自足的月球导航系统的核心。
在地球上，这些系统需要复杂的低温冷却和振动隔离，因为即使是微小的温度变化也会破坏激光器的稳定性。然而，在阴暗的月球陨石坑内，大自然免费完成了大部分工作。恶劣的环境使人类直接探索陨石坑面临挑战，但矛盾的是，这却为精密光学设备提供了理想的条件。
陨石坑内的极低温度，加上月球的自然真空环境以及与地球相比相对较低的振动水平，将使硅光学腔能够以最小的热膨胀运行。这种稳定性对于依赖精确激光频率来计算位置并监测航天器在月球表面运动的导航系统至关重要。
该研究的主要作者 Jun Ye 表达了他对这种方法潜力的信心：“一旦我了解了永久阴影区域可以提供什么，我就觉得这将是超稳定激光器最理想的环境。”
全球发展中的月球GPS技术
随着美国宇航局为长期阿尔忒弥斯任务和未来的永久月球基地做准备，月球导航概念越来越受到关注。国际航天机构和研究人员投入了大量精力来开发基于月球的定位、导航和授时系统。
正在制定的提案包括：
- 月球轨道上的导航卫星
- 用于信号传输的无线电信标
- 原子钟类似于支持地面 GPS 的技术
- 结合多种技术的混合系统
- 月球陨石坑中的超稳定激光网络
地球的 GPS 系统使用卫星持续传输由机载原子钟产生的定时信号。接收器通过测量这些信号从多个卫星到达所需的时间来计算其位置。月球系统将按照类似的原理运行，但要适应月球环境的独特条件。
NIST 的提议为之前的月球导航工作增添了不寻常的变化。以前的概念侧重于轨道卫星或在月球表面建造的结构，而新方法则利用月球的自然地质作为基础设施。这一策略显着降低了建立自主月球导航的成本和复杂性。
环境条件作为战略优势
月球的天然真空为高精度光学系统提供了独特的特性。与引入湍流和光吸收的地球大气层不同，月球环境提供了一个几乎不受大气扰动的空间。没有空气消除了通常导致地面激光系统性能下降的因素。
永久阴影的陨石坑提供了额外的隔热效果。它的深墙和相对于太阳的方向创造了永久阴影区，保护设备免受直接太阳辐射。这种保护显着减少了影响激光器稳定性的温度波动。
月球微重力环境也做出了积极贡献。由于重力只有地球的六分之一，振动和运动的影响大大减少。敏感的光学设备面临的机械干扰较少。超低温、完美真空、低重力和辐射防护这些因素的结合创造了一种在地面实验室中几乎不可能复制的场景。
研究人员指出，激光器的频率稳定性对于导航精度至关重要。不稳定的激光会产生在系统中传播的波动，从而影响物体之间的距离测量。所提出的超稳定激光器产生几乎完全恒定频率的光，从而实现极其精确的距离测量。
未来月球任务的应用
阿耳忒弥斯任务代表了人类月球探索的新篇章。与上世纪的阿波罗计划不同，阿耳忒弥斯计划的目标是在月球上建立可持续的人类存在。宇航员将在月球表面停留很长时间，探索从未访问过的区域，并为未来的月球基地准备基础设施。
独立于地球的导航系统对于实现这些目标至关重要。目前，月球行动很大程度上依赖于基于地球的跟踪，信号在地球和月球之间传播数十万公里。该系统有效，但会带来延迟和操作限制。
月球 GPS 将使宇航员和漫游者能够以更大的自主性进行导航。设备可以在本地计算它们的位置，而不依赖于在地球上进行的复杂计算。探索机器人可以在永久阴影的地区运行，在这些地区很难或不可能与地球直接通信。未来的航天器可以安全地遵循预先编程的轨迹，而无需持续的地面监控。
月球南极附近的阴影陨石坑特别令人感兴趣。科学模拟表明，这些地区可能蕴藏着大量的水冰。冰是未来月球居住的重要资源，为人类消费、氧气生产和火箭燃料提供水。将导航设备放置在同一个陨石坑中将优化空间和资源的利用。
实施前景和技术挑战
这项技术的实际应用仍然面临着相当大的挑战。将精密光学设备运送到月球需要先进的发射振动保护工程。激光器和光学腔必须承受太空飞行期间的极端加速度，而不会失去校准或遭受结构损坏。
一旦到达月球，系统就需要在阴影陨石坑内进行精确安装。人类团队或专业机器人必须将设备放置在战略位置，以便在月球表面提供足够的信号覆盖。精密光学设备的远程维护存在重大技术困难。
NIST 研究证明了概念上的可行性。科学家们建立的理论模型表明，硅光学腔在月球陨石坑的阴影条件下能够以可接受的稳定性运行。陆地实验室的测试模拟了预期的效果，验证了预测。然而，月球上的实际测试还需要数年时间。
国际航天机构认识到这项技术的战略重要性。独立导航能力为未来月球作业提供了显着的竞争优势。掌握这些技术的国家和财团将在未来几十年引领月球探索和开发。