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Meteore durchschlagen regelmäßig die Erdatmosphäre und können verheerende Folgen haben. Wissenschaftler haben nun bekannt gegeben, dass sie kilometerlange Glasfaserkabel verwendet haben , um die Schockwellen einer zur Erde zurückkehrenden NASA-Raumsonde zu analysieren. Das deutet darauf hin, dass bestehende Telekommunikations-Glasfasernetze dazu beitragen könnten, die natürlichen kosmischen Einschläge zu verstehen, die unseren Planeten ständig erschüttern.
Jedes Jahr schlagen etwa 100.000 Tonnen Meteore mit Hyperschallgeschwindigkeit – bis zu 262.000 Kilometern pro Stunde – auf der Erde ein. Wissenschaftler würden die Flugbahnen von Meteoren gerne genauer analysieren, um mehr über die möglichen Risiken zu erfahren. Doch die allgemein unvorhersehbare Natur von Meteoren erschwert dies.
NASA-Bild eines in der Atmosphäre verglühenden Meteoroiden.
Glasfaserkabel bieten Lösungen
Die Rückkehr der NASA-Mission OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, and Security-Regolith Explorer) bot die Chance, dieses Problem zu beheben. Die 2016 gestartete Sonde landete 2020 auf dem Asteroiden Bennu und verstaute die gesammelten Proben in einer Kapsel, die zur Erde zurückkehrte und am 24. September 2023 sicher auf dem Testgelände des US-Verteidigungsministeriums in Utah landete. Die bekannte Flugbahn und der Zeitpunkt der Rückkehr ermöglichten Wissenschaftlern die seltene Gelegenheit, Sensoren zur Analyse der Kapsel während ihres Abstiegs einzusetzen.
In einer neuen Studie nutzten Forscher des Los Alamos National Laboratory in New Mexico und der Colorado State University in Fort Collins Glasfaserkabel, um die Schallwellen von OSIRIS-REx zu erfassen, während dieser über den Himmel flog. Sie nutzten eine Strategie namens „Distributed Acoustic Sensing“, mit der sich, wie frühere Arbeiten zeigten, seismische Wellen von Erdbeben und Mondbeben erfassen ließen.
Was ist verteilte akustische Sensorik?
Bei der verteilten akustischen Sensorik werden Laserlichtimpulse durch Glasfasern übertragen und die Intensität der von Unregelmäßigkeiten in den Fasern reflektierten Signale analysiert. Eine leichte Dehnung oder Kontraktion der Faser durch akustische Wellen kann diese reflektierten Signale verändern.
In den letzten zehn Jahren haben Fortschritte in der verteilten akustischen Sensorik deren Einsatzmöglichkeiten über Nischenanwendungen in Bohrlöchern hinaus erweitert. „Verteilte akustische Sensorik wird im Allgemeinen zur Erfassung von Schwingungen in Festkörpern wie der Erde oder in Flüssigkeiten wie dem Ozean eingesetzt, jedoch seltener zur Messung von Schallwellen in der Luft“, erklärt Carly Donahue, Physikerin am Los Alamos National Laboratory.
Vor der Rückkehr von OSIRIS-REx verlegten die Wissenschaftler zwölf Kilometer Glasfaserkabel entlang unbefestigter Straßen zwischen zwei Standorten in der Nähe von Eureka, Nevada. Sie nutzten außerdem sechs Paare von Seismometern und Infraschallsensoren, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der verteilten akustischen Sensoren zu überprüfen.
Forscher arbeiteten mit Hochdruck daran, ein Glasfaserkabelnetzwerk aufzubauen, um die Rückkehr der Raumsonde OSIRIS-REx zur Erde im Jahr 2023 zu erkennen. Bildaufnahme von Elisa McGhee
„Da wir erst fünf Monate vor unserer Ankunft von dieser Möglichkeit erfuhren, mussten wir uns beeilen, ein Team zusammenzustellen, einen Plan zu entwickeln und die gesamte benötigte Ausrüstung zu beschaffen“, sagt Donahue. „Eureka in Nevada ist bekannt als die ‚freundlichste Stadt an der einsamsten Straße Amerikas‘ und liegt weitab von einer Großstadt. Deshalb mussten wir darauf vorbereitet sein, die gesamte Ausrüstung selbst mitzubringen.“
Frühere Untersuchungen zeigten, dass das Vergraben von Glasfasern die Windgeräusche bei verteilten akustischen Sensoren reduziert. Obwohl ein Großteil der Glasfasern Monate im Voraus bestellt worden war, trafen sie jedoch erst wenige Tage vor Beginn des Experiments ein. Aufgrund dieser begrenzten Zeit war es nicht möglich, die Glasfaser zu vergraben. Deshalb haben wir sie oberflächlich verlegt, so Donahue.
Bei Tests der Sensoren wurden „verschiedene Signale von fahrenden Fahrzeugen, Flugzeugen und Personen erfasst. Dies gab Anlass zur Sorge, dass diese Hintergrundsignale die Signale der Raumkapsel vollständig überdecken könnten“, so Donahue. Um dies zu verhindern, koordinierten die Wissenschaftler mit der Staatspolizei eine vorübergehende Verkehrsunterbrechung während des Wiedereintrittsfensters.
„Die Aufzeichnung des Wiedereintritts einer Raumkapsel mit Glasfasersensoren wie verteilten akustischen Sensoren war ein Novum. Daher befürchteten wir sehr, dass unsere Reise von New Mexico nach Nevada umsonst gewesen sein würde“, sagt Donahue. „Umso erfreuter waren wir, dass wir den Wiedereintritt nicht nur an beiden Standorten detektieren konnten, sondern auch umfangreiche Daten aufzeichneten, die uns Aufschluss über die Entwicklung des Überschallknalls während seiner Ausbreitung gaben.“ Die Seismometer und Infraschallsensoren lieferten ähnliche Messwerte.
Zukünftige Kampagnen zur verteilten akustischen Erfassung von Objekten, die in die Erdatmosphäre eindringen, könnten entweder bereits vorhandene Telekommunikationsfasern oder Glasfasern nutzen, die speziell für die Messung von Überschallknallen oder seismischen Wellen entwickelt wurden, schlägt Donahue vor.
(Quelle aus IEEE Spectrum, bearbeitet und nachgedruckt von Fibermart)
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