Una imagen de alta definición de la Tierra tomada por el orbitador lunar Kaguya de Japón en noviembre de 2007. Crédito: JAXA/NHK
Una nueva era de exploración lunar está en ascenso, con docenas de misiones lunares planificadas para la próxima década. Europa está a la vanguardia aquí, contribuyendo a la construcción de la estación lunar Gateway y la nave espacial Orion, destinada a llevar a los humanos de regreso a nuestro satélite natural, así como al desarrollo de su gran módulo de aterrizaje lunar logístico, conocido bajo el nombre de Argonaut. Dado que docenas de misiones operarán en la Luna y sus alrededores y deberán comunicarse entre sí y fijar sus posiciones independientemente de la Tierra, esta nueva era requerirá su propio tiempo.
Como resultado, las organizaciones espaciales comenzaron a pensar en cómo mantener el tiempo en la Luna. Habiendo comenzado con una reunión en el Centro de Tecnología ESTEC de la ESA en los Países Bajos en noviembre pasado, la discusión es parte de un esfuerzo más amplio para llegar a un entendimiento común.LunaNetarquitectura que cubre los servicios de comunicación y navegación lunares.
Impresión artística de un escenario de exploración lunar. Crédito: ESA–ATG
Arquitectura para la Exploración Lunar Conjunta
«LunaNet es un marco de estándares, protocolos y requisitos de interfaz mutuamente acordados para que futuras misiones lunares trabajen juntas, conceptualmente similar a lo que hemos hecho en la Tierra para el uso conjunto de[{» attribute=»»>GPS and Galileo,” explains Javier Ventura-Traveset, ESA’s Moonlight Navigation Manager, coordinating ESA contributions to LunaNet. “Now, in the lunar context, we have the opportunity to agree on our interoperability approach from the very beginning, before the systems are actually implemented.”
Timing is a crucial element, adds ESA navigation system engineer Pietro Giordano: “During this meeting at ESTEC, we agreed on the importance and urgency of defining a common lunar reference time, which is internationally accepted and towards which all lunar systems and users may refer to. A joint international effort is now being launched towards achieving this.”
On the 20th day of the Artemis I mission, Orion captures the Moon during its lunar flyby. The image was taken by a camera mounted on the European Service Module solar array wings, on December 5, 2022. Credit: NASA
Up until now, each new mission to the Moon is operated on its own timescale exported from Earth, with deep space antennas used to keep onboard chronometers synchronized with terrestrial time at the same time as they facilitate two-way communications. This way of working will not be sustainable however in the coming lunar environment.
Once complete, the Gateway station will be open to astronaut stays, resupplied through regular NASA Artemis launches, progressing to a human return to the lunar surface, culminating in a crewed base near the lunar south pole. Meanwhile, numerous uncrewed missions will also be in place – each Artemis mission alone will release numerous lunar CubeSats – and ESA will be putting down its Argonaut European Large Logistics Lander.
Artist’s impression of the lunar Gateway, a habitat, refueling, and research center for astronauts exploring our Moon as part of the Artemis program. Credit: NASA/Alberto Bertolin
These missions will not only be on or around the Moon at the same time, but they will often be interacting as well – potentially relaying communications for one another, performing joint observations or carrying out rendezvous operations.
Moonlight satellites on the way
“Looking ahead to lunar exploration of the future, ESA is developing through its Moonlight program a lunar communications and navigation service,” explains Wael-El Daly, system engineer for Moonlight. “This will allow missions to maintain links to and from Earth, and guide them on their way around the moon and on the surface, allowing them to focus on their core tasks. But also, Moonlight will need a shared common timescale in order to get missions linked up and to facilitate position fixes.”
ESA’s Moonlight initiative involves expanding satnav coverage and communication links to the Moon. The first stage involves demonstrating the use of current satnav signals around the Moon. This will be achieved with the Lunar Pathfinder satellite in 2024. The main challenge will be overcoming the limited geometry of satnav signals all coming from the same part of the sky, along with the low signal power. To overcome that limitation, the second stage, the core of the Moonlight system, will see dedicated lunar navigation satellites and lunar surface beacons providing additional ranging sources and extended coverage. Credit: ESA-K Oldenburg
And Moonlight will be joined in lunar orbit by an equivalent service sponsored by NASA – the Lunar Communications Relay and Navigation System. To maximize interoperability these two systems should employ the same timescale, along with the many other crewed and uncrewed missions they will support.
Fixing time to fix position
Jörg Hahn, ESA’s chief Galileo engineer and also advising on lunar time aspects comments: “Interoperability of time and geodetic reference frames has been successfully achieved here on Earth for Global Navigation Satellite Systems; all of today’s smartphones are able to make use of existing GNSS to compute a user position down to a meter or even decimeter level.
Picture of the far side of the Moon taken on flight day six of the Artemis I mission from the Orion spacecraft optical navigation camera. Credit: NASA
“The experience of this success can be re-used for the technical long-term lunar systems to come, even though stable timekeeping on the Moon will throw up its own unique challenges – such as taking into account the fact that time passes at a different rate there due to the Moon’s specific gravity and velocity effects.”
Setting global time
Accurate navigation demands rigorous timekeeping. This is because a satnav receiver determines its location by converting the times that multiple satellite signals take to reach it into measures of distance – multiplying time by the speed of light.
Your satnav receiver needs a minimum of four satellites in the sky, their onboard clocks synchronized and orbital positions monitored by global ground segments. It picks up signals from each satellite, which each incorporate a precise time stamp. By calculating the length of time it takes for each signal to reach your receiver, the receiver builds up a three-dimensional picture of your position – longitude, latitude, and altitude – relative to the satellites. Future receivers will be able to track Galileo satellites in addition to US and Russian navigation satellites, providing meter-scale positioning accuracy almost anywhere on or even off Earth: satnav is also heavily used by satellites. Credit: ESA
All the terrestrial satellite navigation systems, such as Europe’s Galileo or the United States’ GPS, run on their own distinct timing systems, but these possess fixed offsets relative to each other down to a few billionths of a second, and also to the UTC Universal Coordinated Time global standard.
The replacement for Greenwich Mean Time, UTC is part of all our daily lives: it is the timing used for Internet, banking, and aviation standards as well as precise scientific experiments, maintained by the Paris-based Bureau International de Poids et Mesures (BIPM).
Galileo is based on a worldwide time reference called Galileo System Time (GST), the standard for Europe’s satellite navigation system, kept close to UTC with an accuracy of 28 billionths of a second. Accurate timings enable accurate ranging for position and navigation services, and their dissemination is an important service in its own right. Credit: ESA
The BIPM computes UTC based on inputs from collections of atomic clocks maintained by institutions around the world, including ESA’s ESTEC technical center in Noordwijk, the Netherlands, and the ESOC mission control center in Darmstadt, Germany.
Designing lunar chronology
Among the current topics under debate is whether a single organization should similarly be responsible for setting and maintaining lunar time. And also, whether lunar time should be set on an independent basis on the Moon or kept synchronized with Earth.
A mosaic of the south pole of our Moon showing locations of major craters, with images taken by NASA’s Lunar Reconnaissance Orbiter. Credit: NASA/GSFC/Arizona State University
The international team working on the subject will face considerable technical issues. For example, clocks on the Moon run faster than their terrestrial equivalents – gaining around 56 microseconds or millionths of a second per day. Their exact rate depends on their position on the Moon, ticking differently on the lunar surface than from orbit.
“Of course, the agreed time system will also have to be practical for astronauts,” explains Bernhard Hufenbach, a member of the Moonlight Management Team from ESA’s Directorate of Human and Robotic Exploration. “This will be quite a challenge on a planetary surface where in the equatorial region each day is 29.5 days long, including freezing fortnight-long lunar nights, with the whole of Earth just a small blue circle in the dark sky. But having established a working time system for the Moon, we can go on to do the same for other planetary destinations.”
Finalmente, para trabajar bien en conjunto, la comunidad internacional también deberá acordar un «marco de referencia selenocéntrico» común, similar al papel que juega en la Tierra el marco de referencia terrestre internacional, que permita la medición consistente de distancias precisas entre puntos en nuestro planeta. . Los marcos de referencia personalizados correctamente son ingredientes esenciales de los sistemas GNSS actuales.
“A lo largo de la historia humana, la exploración ha sido en realidad un factor clave para mejorar los modelos de referencia geodésica y de tiempo”, agrega Javier. “Ciertamente, es un momento emocionante para hacer eso ahora para la Luna, trabajando para definir una escala de tiempo acordada internacionalmente y una referencia selenocéntrica común, que no solo garantizará la interoperabilidad entre los diferentes sistemas de navegación lunar, sino que también promoverá un gran número de oportunidades de investigación y aplicaciones en el espacio cislunar.
Los investigadores de Caltech muestran que la energía se puede transmitir de forma inalámbrica a través del espacio; las implicaciones son enormes – Redlands Daily Facts
Los científicos de Caltech han puesto en órbita un prototipo de demostración de energía solar espacial como parte de un ambicioso esfuerzo para recolectar energía solar en el espacio y enviar esa energía de regreso a la Tierra, dijeron funcionarios de la Universidad de Pasadena. (Imagen cortesía)
Un panel solar en un laboratorio de Space Solar Power Project en Caltech. Donald Bren donó $100 millones a este proyecto. (Cortesía de Caltech)
Bosquejo de un panel solar del Proyecto de Energía Solar Espacial en Caltech. Donald Bren donó $100 millones a este proyecto. (Cortesía de Caltech)
Una mirada a la esbeltez de los paneles solares para el proyecto de energía solar espacial de Caltech. Donald Bren ha donado más de $100 millones para financiar la investigación de Caltech. (Cortesía de Caltech)
Primer plano microscópico de la tecnología utilizada en el proyecto de energía solar espacial de Caltech. Donald Bren ha donado más de $100 millones para financiar la investigación. (Cortesía de Caltech)
En una especie de momento galáctico a lo Thomas Edison, el equipo de Caltech demostró, por primera vez, la capacidad de transmitir energía de forma inalámbrica a través del espacio y enviar una cantidad detectable a la Tierra.
El experimento solar espacial aún se encuentra en sus etapas de prototipo, pero las implicaciones son potencialmente revolucionarias, dijo Ali Hajimiri, profesor Bren de Ingeniería Eléctrica y Médica en Caltech y codirector del equipo de Space Solar Power Project.
«De la misma manera que Internet ha democratizado el acceso a la información, esperamos que la transferencia de energía inalámbrica democratice el acceso a la energía», dijo Hajimiri, investigador principal del experimento, en un comunicado que anuncia el hito. “No se necesitará ninguna infraestructura de transmisión de energía en el suelo para recibir esta electricidad. Esto significa que podemos enviar energía a regiones y áreas remotas devastadas por guerras o desastres naturales.
Agregó: “Hasta donde sabemos, nadie ha demostrado nunca la transferencia de energía inalámbrica en el espacio, incluso con costosas estructuras rígidas.
Los ingenieros bajan con cuidado la parte DOLCE del Demostrador de energía solar espacial hacia la nave espacial Vigoride construida por Momentus. Crédito: Caltech/Space Solar Power Project
De hecho, demostrar con éxito que la energía se puede transmitir de forma inalámbrica a través del espacio abre la puerta para aprovechar la energía del Sol y enviarla a la Tierra.
Con el combustible para cohetes porque el proyecto fue un combustible político: para luchar contra el cambio climático, el gobierno de EE. UU. se comprometió a hacer que su sector energético esté libre de contaminación para 2035.
Tal como están las cosas, las fuentes de energía renovable actuales son incompatibles con los combustibles fósiles. Las células solares, en particular, sufren la atmósfera, las condiciones climáticas y la noche.
Pero durante años, los investigadores se han ocupado de lo que ha sido una solución difícil de alcanzar: en desarrollo durante décadas, la energía solar espacial, el proceso de aprovechar la energía solar en el espacio y transmitir energía lumínica a la tierra utilizando satélites de energía solar, no era solo cosa de ciencia. -fi.
Hace diez años, Caltech formó el Proyecto de energía solar espacial, que culminó en una etapa de lanzamiento el 3 de enero. El lanzamiento confirmó las esperanzas para el futuro de una tecnología que alguna vez se consideró técnicamente posible pero económicamente inviable.
Los funcionarios promocionan el proyecto SSPP de Caltech como un ejemplo de investigación aeroespacial moderna del sector privado en curso.
El proyecto fue financiado en su totalidad por fuentes privadas, desarrollado en una institución privada, y los experimentos fueron lanzados por Momentus, una empresa aeroespacial privada, montada a bordo de una plataforma Momentus.
Pero el proyecto realmente despegó en 2011 cuando el desarrollador inmobiliario multimillonario Donald Bren se acercó a Caltech con una propuesta para financiar la investigación de energía solar espacial. Bren se ha comprometido a donar más de $100 millones durante la vida del proyecto.
Además, Northrup Grumman Corporation, una empresa militar y aeroespacial, lanzó $12,5 millones.
Bren, en el anuncio de la semana pasada, dijo que este paso era un gran paso adelante.
«El arduo trabajo y la dedicación de los brillantes científicos de Caltech han hecho avanzar nuestro sueño de proporcionar al mundo energía abundante, confiable y asequible para el beneficio de toda la humanidad», dijo Bren en el anuncio.
El presidente de Irvine Co., Donald Bren, ha donado más de $100 millones a Caltech para estudiar la energía solar a ritmo espacial. En esta foto de octubre de 2018 están, de izquierda a derecha, Sergio Pellegrino (Joyce y Kent Kresa Profesor de Aeronáutica y Profesor de Ingeniería Civil; Científico Investigador Principal del Laboratorio de Propulsión a Chorro y codirector del proyecto de Energía Solar Basada en el Espacio); Brigitte Bren; donald bren; Ali Hajimiri (Profesor Bren de Ingeniería Eléctrica y Médica y Codirector del Proyecto); y Richard Madonna, project manager del proyecto. (Cortesía de Caltech)
Pero, ¿cómo funciona todo?
El exitoso experimento, conocido como MAPLE, abreviatura de Microwave Array for Power-transfer Low-orbit Experiment, demostró dos funciones clave: la capacidad de enviar un haz concentrado de energía a los receptores a voluntad y la capacidad de transmitir energía a una ubicación específica en Tierra.
La energía solar espacial consiste en recolectar energía solar en el espacio, convertir esta energía en ondas electromagnéticas y transmitir estas ondas a receptores en la Tierra. La ventaja es que las células solares en el espacio pueden recolectar de ocho a nueve veces más energía que las células solares en la Tierra al eliminar las ineficiencias de la atmósfera, las estaciones y el ciclo día-noche.
El primero de los experimentos MAPLE probó la capacidad de la tecnología para dirigir con éxito un haz de energía a una ubicación específica en el duro entorno del espacio.
Para hacer esto, el equipo de Hajimiri dirigió un haz de microondas desde los conjuntos de transmisores en el espacio a uno de los dos LED que también están a bordo del satélite. Cada LED se encendía individualmente cuando las microondas se dirigían a su receptor, lo que demostraba que el haz podía apuntar con precisión a los objetivos.
Un segundo experimento consistió en dirigir el haz de energía de MAPLE a un receptor en el techo del laboratorio de Moore en el campus de Caltech.
Al asegurarse de que el receptor en la Tierra recogiera la señal en un tiempo y una frecuencia predeterminados, los investigadores de Caltech pudieron concluir que habían recibido con éxito la energía en la Tierra del experimento en órbita.
El equipo de SSPP visualiza un futuro en el que flotas de miles de satélites solares ligeros orbitan el globo, recolectando energía solar y transmitiéndola a receptores en tierra.
Junto con el experimento MAPLE, el satélite Momentus también alberga experimentos que prueban tecnologías fotovoltaicas ultraligeras y estructuras de naves espaciales ligeras y flexibles, las cuales serán parte integral de la realización de esta visión. El equipo SSPP está recopilando resultados adicionales de MAPLE, así como datos de otros experimentos a bordo.
El presidente de Caltech, Thomas F. Rosenbaum, dijo que el hito anunciaba «una ganancia notable para la humanidad: un mundo impulsado por energía renovable ininterrumpida».
PorDepartamento de Energía de EE. UU. 6 de junio de 2023
Una caricatura del plasma de quarks y gluones (pequeños círculos rojos, verdes y azules) producido durante una colisión relativista de iones pesados entre dos núcleos pesados (círculos blancos). La colisión produce un quark pesado (Q rojo) y un par quark-antiquark pesado (QO verde). Crédito: Imagen cortesía de Bruno Scheihing-Hitschfeld y Xiaojun Yao
Los científicos han dado un importante paso adelante en el estudio de las propiedades de los quarks y gluones, las partículas que forman los núcleos atómicos, al resolver un problema de larga data con un método de cálculo teórico conocido como «calibre axial».[{» attribute=»»>MIT and University of Washington researchers found that the method had mistakenly suggested two properties of quark-gluon plasma were identical. They also made a prediction on gluon distribution measurement, set to be tested in future experiments with the Electron-Ion Collider.
The Science
The building blocks of atomic nuclei are protons and neutrons, which are themselves made of even more fundamental particles: quarks and gluons. These particles interact via the “strong” force, one of the four fundamental forces of nature. They make up the nuclei at the heart of every atom. They also make up forms of hot or dense nuclear matter that exhibit exotic properties. Scientists study the properties of hot and cold nuclear matter in relativistic heavy ion collision experiments and will continue to do so using the future Electron-Ion Collider. The ultimate goal is to understand how complex forms of matter emerge from elementary particles affected by strong forces.
The Impact
Theoretical calculations involving the strong force are complex. One aspect of this complexity arises because there are many ways to perform these calculations. Scientists refer to some of these as “gauge choices.” All gauge choices should produce the same result for the calculation of any quantity that can be measured in an experiment. However, one particular choice, called “axial gauge,” has puzzled scientists for years because of difficulties in obtaining consistent results upon making this choice. This recent study resolves this puzzle and paves the way for reliable calculations of hot and cold nuclear matter properties that can be tested in current and future experiments.
Summary
The exotic form of nuclear matter that physicists study in relativistic heavy ion collisions is called the quark-gluon plasma (QGP). This form of matter existed in the early universe. Physicists explore its properties in heavy ion collision experiments by recreating the extremely high temperatures last seen microseconds after the Big Bang. By analyzing experimental data from the collisions and comparing them with theoretical calculations, physicists can ascertain various properties of the QGP. Using a calculation method called “axial gauge” had previously seemed to imply that two QGP properties that describe how heavy quarks move through the QGP were the same.
Researchers at the Massachusetts Institute of Technology and the University of Washington have now found this implication to be incorrect. The study also carefully analyzed the subtle conditions for when axial gauge can be employed and explained why the two properties are different. Finally, it showed that two distinct methods for measuring how gluons are distributed inside nuclei must yield different results. Gluons are the particles that carry the strong force, This prediction will be tested at the future Electron-Ion Collider.
Reference: “Gauge Invariance of Non-Abelian Field Strength Correlators: The Axial Gauge Puzzle” by Bruno Scheihing-Hitschfeld and Xiaojun Yao, 2 February 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.052302
This work is supported by the Department of Energy Office of Science, Office of Nuclear Physics and by the Office of Science, Office of Nuclear Physics, InQubator for Quantum Simulation (IQuS).
¿Qué tiene 14 lados, está lleno de curvas y puede cubrir perfectamente una superficie sin huecos ni superposiciones? No es un acertijo, es un «vampiro de Einstein».
En marzo, un técnico de impresión jubilado llamado David Smith se encontró con un notable descubrimiento en el mundo de la matemáticas. Encontró un Forma de 13 lados que podría cubrir completamente una superficie sin repetirla. La forma, apodada «el sombrero» por su forma holgadamente afieltrada, fue la culminación de décadas de búsqueda por parte de matemáticos de todo el mundo.
Desde 1961 los matemáticos se preguntaban si tal forma pudiera existir. Al principio, los matemáticos encontraron un conjunto de 20 426 formas que podían encajar mientras creaban un patrón que nunca se repite (a diferencia de las baldosas en el piso de una cocina, que crean un patrón repetitivo). Eventualmente, los matemáticos encontraron un conjunto de 104 formas que podían crear ese mosaico sin repetición.
Las formas del medio y la derecha son ejemplos de «Spectra» — formas de 14 lados que se pueden colocar en mosaico sin fin sin crear un patrón repetitivo. (Crédito de la imagen: Smith et al.)
Luego, en la década de 1970, el físico y premio Nobel Roger Penrose encontró un par de formas que juntas creaban un mosaico que no se repetía. Y durante décadas, los matemáticos se preguntaron si se podía hacer el mismo truco con una sola forma. Esta forma semimítica, conocida oficialmente como monotilo aperiódico, se conoció como «el einstein», que significa «una piedra» en alemán.
Pero a pesar de toda la celebración que rodeó el descubrimiento de Smith de un mosaico de Einstein, hubo una pequeña mosca en el ungüento. Para crear mosaicos que no se repitan, el «sombrero» tuvo que trabajar con su imagen especular. Técnicamente es la misma forma, solo que al revés, pero algunos han argumentado que Smith realmente no encontró un einstein real.
Ahora, sin embargo, Smith y sus colegas han dejado de lado esas objeciones: han encontrado una forma que puede cubrir una superficie sin repetir o voltear. Describieron la nueva forma el 28 de mayo en un artículo publicado en Preprint Database. arXivaunque aún no ha sido revisado por pares.
El equipo llamó a su forma el «Espectro», un tributo a los vampiros que no pueden ver sus propios reflejos y, por lo tanto, no necesitan un espejo.
«En el mosaico plano, es bastante estándar que los mosaicos se puedan reflejar; sin embargo, algunas personas no estaban contentas con el hecho de que el sombrero de monotile aperiódico requiere reflejos para mosaico el plano», escribió el coautor Joseph Samuel Meyers en Mastodonte. «En nuestra nueva preimpresión, presentamos Spectre, el primer ejemplo de un vampiro de Einstein: un monotile aperiódico que tesela el plano sin reflejos».
Para encontrar la forma fantasmal, el equipo comenzó con la forma original de «sombrero» y le agregó un lado adicional. Esta nueva forma aún requería que su imagen especular estuviera completamente en mosaico, pero los investigadores descubrieron que al convertir los bordes rectos de la forma de 14 lados en bordes curvos, podían prescindir de las imágenes especulares y trabajar con una sola forma.
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