מה השעה הוא על הירח? חוקרים מציעים להחיל את שיטת אזורי הזמן גם על הירח

מאת: סוכנות החלל האירופית (ESA) מרץ 5, 2023

עידן חדש של חקר הירח נמצא במגמת עלייה, עם עשרות משימות ירח המתוכננות לעשור הקרוב. אירופה נמצאת בחזית המירוץ הזה, ותורמת לבניית תחנת "שער הירח" והחללית אוריון –  שאמורה להחזיר בני אדם ללוויין הטבעי שלנו – כמו גם לפיתוח הנחתת הירחית הלוגיסטית הגדולה המכונה ארגונאוט. מכיוון שעשרות משימות יפעלו על הירח ובסביבתו ויצטרכו לתקשר יחד ולשדר את מיקומן באופן עצמאי מכדור הארץ, עידן חדש זה ידרוש סנכרון זמן משלו.

בהתאם לכך, ארגוני חלל החלו לשקול כיצד לשמור על זמן על הירח. לאחר שהחל בפגישה במרכז הטכנולוגיה ESTEC של ESA בהולנד בנובמבר האחרון, הדיון הוא חלק ממאמץ גדול יותר להסכים על ארכיטקטורת 'LunaNet' משותפת המכסה שירותי תקשורת וניווט ירחיים.

"LunaNet היא מסגרת של תקנים, פרוטוקולים ודרישות ממשק מוסכמים הדדית המאפשרים למשימות ירח עתידיות לעבוד יחד, בדומה מבחינה רעיונית למה שעשינו על כדור הארץ לשימוש משותף ב-GPS ובגלילאו", מסביר חוויאר ונטורה-טרווסט, מנהל ניווט אור הירח של ESA, המתאם את תרומות ESA ל-LunaNet. "כעת, בהקשר הירחי, יש לנו הזדמנות להסכים על גישת יכולת הפעולה ההדדית שלנו מההתחלה, לפני שהמערכות מיושמות בפועל."

תזמון הוא מרכיב מכריע, מוסיף מהנדס מערכת הניווט של ESA פייטרו ג'ורדנו: "במהלך פגישה זו ב- ESTEC, הסכמנו על החשיבות והדחיפות של הגדרת זמן ייחוס ירחי משותף, שיהיה מקובל על כולם ואשר כל מערכות הירח והמשתמשים יכולים להתייחס אליו. כעת יוצא לדרך מאמץ בינלאומי משותף להשגת מטרה זו".

ביום ה-20 למשימת ארטמיס I, אוריון מצלם את הירח במהלך טיסתו על הירח. התמונה צולמה על ידי מצלמה שהורכבה על כנפי המערך הסולארי של מודול השירות האירופי, ב-5 בדצמבר 2022. קרדיט: נאס"א

עד כה, כל משימה חדשה לירח מופעלת על ציר הזמן שלה המיוצא מכדור הארץ, כאשר אנטנות החלל העמוק משמשות לשמירה על כרונומטרים על הסיפון המסונכרנים עם הזמן על כדור הארץ וכך הן מאפשרות תקשורת דו-כיוונית. דרך עבודה זו לא תהיה בת קיימא עם זאת בסביבת הירח הקרובה.

לאחר השלמתה, תחנת החלל הירחית שער הירח תהיה פתוחה לשהייה של אסטרונאוטים, תקבל אספקה באמצעות  שיגורים רגילים של ארטמיס, תתקדם לקראת חזרה אנושית אל פני הירח, ותגיע לשיאה בהקמת בסיס מאויש ליד הקוטב הדרומי של הירח. בינתיים, מספר רב של משימות לא מאוישות יכינו את השטח. כל משימה של ארטמיס לבדה תשחרר מספר רב של CubeSats ירחיים, וסוכנות החלל האירופית תנחית את הנחתת הלוגיסטית  האירופית הגדולה ארגונאוט.

משימות אלה תתרחשנה לא רק על הירח או סביבו בו זמנית, אלא שלעתים קרובות הן גם יתקשרו ביניהן – באופן פוטנציאלי יעבירו תקשורת זו לזו, יבצעו תצפיות משותפות או יבצעו פעולות מפגש.

לוויינים לאור ירח בדרך

"במבט קדימה לחקר הירח של העתיד, ESA מפתחת באמצעות תוכנית אור הירח שלה שירות תקשורת וניווט ירחי", מסביר ואל-אל דאלי, מהנדס מערכת ב-Moonlight. "זה יאפשר למשימות לשמור על קשרים אל כדור הארץ וממנו, ולהנחות אותם בדרכם סביב הירח ועל פני השטח, מה שיאפשר להם להתמקד במשימות הליבה שלהם. אבל גם אור ירח יזדקק לציר זמן משותף כדי לקשר בין משימות להקל על תיקוני מיקום".

יוזמת אור הירח של ESA כוללת הרחבת כיסוי הסטנב וקישורי התקשורת לירח. השלב הראשון כולל הדגמת השימוש באותות הסטנב הנוכחיים סביב הירח. זה יושג עם הלוויין Lunar Pathfinder בשנת 2024. האתגר העיקרי יהיה להתגבר על הגיאומטריה המוגבלת של אותות סטנב המגיעים כולם מאותו חלק של השמים, יחד עם עוצמת האות הנמוכה. כדי להתגבר על מגבלה זו, השלב השני, הליבה של מערכת אור הירח, יראה לווייני ניווט ירחיים ייעודיים ומשואות פני הירח המספקים מקורות מגוונים נוספים וכיסוי מורחב. קרדיט: ESA-K אולדנבורג

אור הירח יצטרף למסלול סביב הירח על ידי שירות מקביל בחסות נאס"א – מערכת הממסר והניווט של תקשורת הירח. כדי למקסם את יכולת הפעולה ההדדית, שתי מערכות אלה צריכות להשתמש באותו ציר זמן, יחד עם המשימות המאוישות והלא מאוישות הרבות האחרות שהן יתמכו בהן.

תיקון זמן לתיקון מיקום

יורג האן, המהנדס הראשי של פרויקט לוויני המיקון גלילאו של סוכנות החלל האירופית וגם מייעץ בהיבטי זמן ירח, מעיר: "יכולת פעולה הדדית של זמן ומסגרות ייחוס גיאודטיות הושגה בהצלחה כאן על כדור הארץ עבור מערכות לווייני ניווט גלובליות; כל הסמארטפונים של היום מסוגלים לעשות שימוש ב- GNSS קיים כדי לחשב מיקום משתמש עד לרמת מטר או אפילו דצימטר.

תמונה של הצד הרחוק של הירח שצולמה ביום הטיסה השישי של משימת ארטמיס I ממצלמת הניווט האופטי של חללית אוריון. קרדיט: נאס"א

"ניתן להשתמש מחדש בניסיון של הצלחה זו עבור מערכות הירח הטכניות ארוכות הטווח הבאות, אף על פי שעמידה יציבה בזמן על הירח תציב אתגרים ייחודיים משלה – כגון התחשבות בעובדה שהזמן עובר שם בקצב שונה בשל השפעות הכבידה והמהירות הספציפיות של הירח."

הגדרת זמן גלובלי

ניווט מדויק דורש עמידה קפדנית בזמן. הסיבה לכך היא שמקלט ה- satnav  של מכשיר הניווט הלוויני (GPS  – למרות שהשם שמור רק למערכת אחת כזו א.ב.) קובע את מיקומו על ידי המרת הזמנים שלוקח לאותות לוויין מרובים להגיע אליו למדדי מרחק – הכפלת הזמן במהירות האור.

מקלט ה- satnav  במכשירים האישיים שלך זקוק לארבעה לוויינים לפחות בשמיים. השעונים המשולבים שלהם מסונכרנים ומיקומי מסלול מנוטרים על ידי מקטעי קרקע גלובליים. הוא קולט אותות מכל לוויין, שכל אחד מהם משלב חותמת זמן מדויקת. על ידי חישוב משך הזמן שלוקח לכל אות להגיע למקלט שלך, המקלט בונה תמונה תלת-ממדית של המיקום שלך – קו אורך, קו רוחב וגובה – ביחס ללוויינים. מקלטים עתידיים יוכלו לעקוב אחר לווייני גלילאו בנוסף ללווייני ניווט של ארה"ב ורוסיה, ולספק דיוק מיקום בקנה מידה של מטר כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ או אפילו מחוצה לו: satnav נמצא בשימוש כבד גם על ידי לוויינים. קרדיט: ESA

כל מערכות הניווט הלווייני היבשתיות, כגון גלילאו באירופה או ה-GPS של ארצות הברית, פועלות על מערכות תזמון ייחודיות משלהן, אך אלה בעלות קיזוזים קבועים יחסית זו לזו עד כמה מיליארדיות השנייה, והן גם תואמות לתקן  העולמי של UTC Universal Coordinated Time.

UTC , התחליף לשעון גריניץ', הוא חלק מחיי היומיום שלנו: זהו התזמון המשמש לתקני אינטרנט, בנקאות ותעופה, כמו גם ניסויים מדעיים מדויקים, המתוחזקים על ידי הלשכה הבינלאומית de Poids et Mesures (BIPM) שבסיסה בפריז.

גלילאו מבוסס על ייחוס זמן עולמי בשם Galileo System Time (GST), התקן למערכת הניווט הלווייני של אירופה, שנשמר קרוב ל-UTC בדיוק של 28 מיליארדיות השנייה. תזמונים מדויקים מאפשרים טווח מדויק של שירותי מיקום וניווט, והפצתם היא שירות חשוב בפני עצמו. קרדיט: ESA

ה-BIPM מחשב את הזמן לפי  UTC בהתבסס על תשומות מאוספים של שעונים אטומיים המתוחזקים על ידי מוסדות ברחבי העולם, כולל המרכז הטכני ESTEC של ESA בנורדווייג, הולנד, ומרכז בקרת המשימה של ESOC בדרמשטט, גרמניה.

תכנון כרונולוגיה ירחית

בין הנושאים הנוכחיים הנדונים הוא האם ארגון אחד צריך להיות אחראי באופן דומה על קביעת זמן הירח ותחזוקתו. וגם, האם יש לקבוע את זמן הירח באופן עצמאי על הירח או לשמור על סנכרון עם כדור הארץ.

פסיפס של הקוטב הדרומי של הירח שלנו המציג מיקומים של מכתשים גדולים, עם תמונות שצולמו על ידי מקפת סיור הירח של נאס"א. קרדיט: נאס"א/GSFC/אוניברסיטת אריזונה סטייט

הצוות הבינלאומי העובד על הנושא יתמודד עם בעיות טכניות ניכרות. לדוגמה, שעונים על הירח פועלים מהר יותר ממקביליהם היבשתיים – צוברים כ-56 מיקרו-שניות או מיליוניות השנייה ביום. הקצב המדויק שלהם תלוי במיקומם על הירח, ומתקתק באופן שונה על פני הירח מאשר במסלול.

"כמובן, מערכת הזמן המוסכמת תצטרך להיות מעשית גם עבור אסטרונאוטים", מסביר ברנהרד הופנבאך, חבר בצוות ניהול אור הירח ממנהל המחקר האנושי והרובוטי של ESA. "זה יהיה אתגר לא קטן על פני השטח הפלנטריים שבהם באזור קו המשווה אורכו של כל יום הוא 29.5 ימים, כולל לילות ירח קפואים באורך שבועיים, כאשר כדור הארץ כולו הוא רק עיגול כחול קטן בשמיים החשוכים. אבל לאחר שהקמנו מערכת זמן עבודה לירח, נוכל להמשיך לעשות את אותו הדבר עבור יעדים פלנטריים אחרים."

לבסוף, כדי לעבוד יחד כראוי, הקהילה הבינלאומית תצטרך גם להסתפק ב"מסגרת ייחוס סלנוצנטרית" משותפת, בדומה לתפקיד שממלאת בכדור הארץ מסגרת הייחוס הארצית הבינלאומית, המאפשרת מדידה עקבית של מרחקים מדויקים בין נקודות ברחבי כדור הארץ שלנו. מסגרות ייחוס מותאמות אישית הן מרכיבים חיוניים של מערכות GNSS של ימינו.

"לאורך ההיסטוריה האנושית, חקר היה למעשה מניע מרכזי לשיפור שמירת הזמן ומודלים של ייחוס גיאודטי", מוסיף חוויאר. "זו בהחלט תקופה מרגשת לעשות זאת כעת עבור הירח, ולפעול להגדרת ציר זמן מוסכם בינלאומי והתייחסות סלנוצנטרית משותפת, שלא רק תבטיח יכולת פעולה הדדית בין מערכות הניווט הירחיות השונות, אלא גם תטפח מספר רב של הזדמנויות מחקר ויישומים במרחב הירחי."

עוד בנושא באתר הידען:

• אני והחבר'ה: כיצד המוח ממפה את המרחב החברתי
• מנווטים בגדול
• ימיה ספורים: רמות החשמל פוחתות בנחתת אינסייט של נאס"א שמאתרת רעידות אדמה במאדים
• פרוייקט 1000 הגנומים
• "מדהים" – ערפילית עין החתול נראית בתלת מימד בפעם הראשונה