Russische natuurkundigen lossen radiostoringsprobleem op voor het opnieuw betreden van ruimtevaartuigen

Wanneer ruimtevaartuigen terugkeren naar de aarde, is een van de meest gespannen onderdelen van de missie de radio-uitval die optreedt wanneer het voertuig de atmosfeer weer binnengaat. Het ruimtevaartuig reist met hypersonische snelheden tussen Mach 8 en 15 en verwarmt en breekt moleculen in de atmosfeer af, waardoor een plasma ontstaat. Het is deze plasmamantel die radiocommunicatie verhindert.

Voor bemande ruimtevaartuigen die vanuit een baan om de aarde terugkeren, duurt de black-out van de radio een paar minuten, waardoor zweethanden ontstaan ​​voor alle betrokkenen.

In de loop der jaren hebben talloze groepen verschillende manieren bestudeerd om dit probleem te omzeilen. Een idee is om laagfrequente signalen te gebruiken die niet worden geblokkeerd door het plasma. Deze bieden echter slechts lage datasnelheden.

Een andere is om het vaartuig zo vorm te geven dat het plasma zich niet vormt in bepaalde gebieden waar een radioantenne kan worden geplaatst. Maar dit betekent dat het hele voertuig rond het communicatiesysteem moet worden ontworpen, dat dan niet kan worden gewijzigd.

Nog een ander idee is om de radioantenne in de neuspiek te plaatsen, zodat deze voorbij het plasma uitsteekt. Hierdoor is radiocommunicatie mogelijk totdat de antenne door ablatie verslijt.

Geen van deze oplossingen is ideaal. Maar vandaag onthullen Aleksandr Korotkevich van het Landau Instituut voor Theoretische Fysica in Moskou en een paar vrienden een nieuwe manier om dit probleem te omzeilen.

Hun idee is om de eigenschappen van het plasma zelf te gebruiken om transmissie te bewerkstelligen op dezelfde manier als een judo-expert de kracht en beweging van een tegenstander gebruikt om hem te verslaan. Dit lijkt een eenvoudige en elegante benadering.

Eerst wat achtergrond. Plasma's absorberen elektromagnetische golven in de buurt van een speciale resonantiefrequentie, de plasmafrequentie genaamd, die afhangt van de eigenschappen van het plasma zelf, zoals de dichtheid.

Korotkevich en co wijzen erop dat elk binnenkomend signaal in de buurt van deze frequentie zowel wordt gereflecteerd als geabsorbeerd door het plasma. Het gereflecteerde signaal gaat verloren, maar de geabsorbeerde energie zet een elektrisch resonerend veld op een bepaalde diepte met het plasma op.

Dat is een cruciaal punt. In feite werkt deze laag in het plasma als een radioantenne en ontvangt het signaal. Het signaal kan echter niet verder door het plasma naar het ruimtevaartuig reizen.

Het nieuwe idee is om deze laag te zappen met radiogolven die vanuit het ruimtevaartuig worden gegenereerd. Deze golven zullen zowel door het plasma worden geabsorbeerd als teruggekaatst in het ruimtevaartuig. Het belangrijkste punt is echter dat de gereflecteerde golven moeten worden gemoduleerd door eventuele veranderingen in het elektrische veld in het plasma.

Met andere woorden, de gereflecteerde golven moeten een soort afdruk van het oorspronkelijke externe radiosignaal dragen. Dat zou de grondcontrole in staat stellen om met hun astronauten te communiceren.

Korotkevich en vrienden zeggen dat hetzelfde idee ook omgekeerd kan worden gebruikt om signalen uit te zenden. Blaas in dit geval eenvoudig de plasmamantel van binnenuit het ruimtevaartuig op met het signaal dat ze willen verzenden. Dit brengt het uitgezonden signaal over naar het interne elektrische veld van het plasma, dat vervolgens een veel zwakker signaal de atmosfeer in straalt.

Korotkevich en co zeggen dat de zwakte van het transmissiesignaal er niet toe doet, omdat grondontvangers enorm gevoelig kunnen worden gemaakt, zeker veel meer dan mobiele.

Dat is een slim idee. In feite veranderen ze de plasmamantel in een gigantische antenne die zowel berichten ontvangt als verzendt. En ze zeggen dat het kan worden bereikt met standaardzenders die tegenwoordig min of meer standaard verkrijgbaar zijn.

Er zijn natuurlijk enkele kanttekeningen. Hoewel het onderzoek dat ze vandaag publiceren interessant is, beschouwt het slechts een geïdealiseerde casus en zullen er tal van extra details in aanmerking moeten worden genomen om een ​​prototype werkend te krijgen.

Een vraag is bijvoorbeeld of de radiosignalen het aerodynamische gedrag van het plasma zullen veranderen, waardoor instabiliteiten ontstaan ​​die het vaartuig in gevaar kunnen brengen.

Korotkevich en co zeggen van niet, omdat de radiosignalen veel sneller variëren dan welke plasma-instabiliteit dan ook. In feite kan het plasma worden beschouwd als bevroren op radiofrequenties, zeggen ze.

Dit sluit echter niet-lineaire effecten uit waardoor kleine instabiliteiten snel kunnen groeien. Dat is iets wat nader onderzocht zal moeten worden.

Natuurlijk zal de grote belangstelling waarschijnlijk van het leger komen. Hoewel de radiostoring niet veel meer is dan irriterend voor menselijke missies, is het een ernstige beperking voor militaire vaartuigen zoals ballistische raketten of hypersonische vliegtuigen. Radio black-out voorkomt dat deze voertuigen toegang krijgen tot GPS-signalen voor navigatie en staat niet toe dat ze op het laatste moment opnieuw worden gericht of uitgeschakeld.

Als Korotkevich en co een praktische manier hebben gevonden om dit probleem op te lossen, zullen hun ideeën in bepaalde kringen waarschijnlijk enorm waardevol zijn.

Referentie: arxiv.org/abs/0704.10303 : Communicatie via plasmamantels

zich verstoppen