Il rilevamento acustico distribuito potrebbe trasformare la sismologia lunare / Distributed acoustic sensing could transform lunar seismology

 Il rilevamento acustico distribuito potrebbe trasformare la sismologia lunare / Distributed acoustic sensing could transform lunar seismology

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

La ricercatrice Simone Probst mostra la configurazione sperimentale utilizzata per testare i cavi DAS a fibra ottica, che misurano le vibrazioni per visualizzare le strutture del sottosuolo  /  Researcher Simone Probst demonstrates the experimental setup used to test fibre-optic DAS cables, which measure vibrations to image subsurface structures 

I ricercatori dell'ETH di Zurigo stanno studiando la possibilità di impiegare fibre ottiche leggere sulla Luna per rilevare l'attività sismica e rivelarne le strutture interne.

Il gruppo, guidato da Johan Robertsson, professore di geofisica applicata presso l'ETH di Zurigo, e da partner internazionali tra cui il Los Alamos National Laboratory nel Nuovo Messico, negli Stati Uniti, sta valutando un nuovo approccio per studiare la struttura geologica interna della Luna.

Anziché posizionare uno per uno ingombranti sismometri, un rover potrebbe dispiegare chilometri di cavi in ​​fibra ottica leggeri sulla Luna, installando così migliaia di sensori per rilevare le scosse causate da terremoti lunari, impatti di meteoriti ed allunaggi.

Utilizzando la tecnologia DAS (Distributed Acoustic Sensing), i ricercatori hanno trasformato un cavo in fibra ottica in un sensore a lungo raggio. I laser del sistema DAS inviano rapidi impulsi di luce attraverso un cavo e le minuscole imperfezioni nella fibra disperdono la luce verso uno strumento di interrogazione.

La temporizzazione dei segnali riflessi rivela in quale punto del cavo si è verificato il movimento, consentendo ad una singola fibra di funzionare come migliaia di sensori equidistanti. Secondo il gruppo, un cavo lungo pochi chilometri può registrare segnali con una risoluzione spaziale superiore rispetto alle tradizionali reti sismiche.

Il gruppo riporta altri casi d'uso oltre al rilevamento dei terremoti. "Le vibrazioni generate dagli atterraggi e dai decolli dei veicoli spaziali potrebbero fungere da sorgenti sismiche attive, consentendo ai cavi in ​​fibra ottica di visualizzare le strutture sotterranee della Luna in modo simile agli ultrasuoni medici", ha affermato l'autrice principale e ricercatrice di dottorato Simone Probst.

I cavi potrebbero anche rilevare la quantità di polvere lunare sollevata dai gas di scarico dei razzi durante gli atterraggi, il che potrebbe aiutare i pianificatori delle missioni a comprendere e mitigare meglio i rischi legati alla polvere per le missioni future.  

Probst e Carly Donahue, ex ricercatrice senior presso l'ETH di Zurigo, hanno condotto test con vibratori a Los Alamos utilizzando basalto frantumato, simile alla regolite presente sulla superficie lunare. I test di laboratorio avrebbero mostrato risultati promettenti, con cavi più spessi in grado di registrare segnali sismici quasi altrettanto bene sia quando sono a diretto e continuo contatto con la superficie, sia quando sono sepolti nel basalto.  

"Comprendere come si comportano i cavi in ​​diverse condizioni è fondamentale", ha dichiarato Probst in un comunicato. "Stiamo integrando i nostri esperimenti con simulazioni al computer per studiare come i cavi interagiscono con il terreno e come questa interazione viene influenzata dalla gravità lunare." 

I ricercatori hanno scoperto che, mentre il vento indebolisce i segnali dei cavi sulla Terra, l'assenza di atmosfera sulla Luna potrebbe rendere possibile la posa dei cavi in ​​superficie anziché il loro interramento. Le simulazioni modellano anche la risposta dei cavi alle onde sismiche in condizioni lunari.  

"Le tecniche di rilevamento a fibra ottica potrebbero ampliare notevolmente la nostra comprensione della Luna: il suo interno, i tunnel di lava, i siti di atterraggio e le risorse idriche", ha affermato Robertsson, autore senior dello studio. "I cavi lunghi potrebbero anche captare i segnali delle sollecitazioni mareali causate dalla gravità terrestre, consentendo agli scienziati di comprendere meglio come le onde sismiche si propagano attraverso la Luna. È stato persino ipotizzato che il sistema DAS potrebbe rilevare le onde gravitazionali che eccitano i modi normali di vibrazione della Luna." 

La ricerca, descritta in dettaglio sulla rivista Earth and Space Science, fa parte di un più ampio sforzo volto a sviluppare tecnologie di rilevamento di nuova generazione.

ENGLISH

Researchers at ETH Zurich are investigating whether lightweight optical fibres could be deployed on the Moon to detect seismic activity and reveal its interior structures.

The team, led by Johan Robertsson, Professor of Applied Geophysics at ETH Zurich, and international partners including the Los Alamos National Laboratory in New Mexico, USA, are assessing a novel approach to studying the inner geological structure of the Moon.

Rather than placing bulky seismometers one by one, a rover could deploy kilometres of lightweight fibre-optic cable across the Moon, thereby deploying thousands of sensors to detect tremors from moonquakes, meteorite impacts and lunar landings.

Using Distributed Acoustic Sensing (DAS) technology, the researchers turned a fibre-optic cable into a long-range sensor. Lasers in DAS send rapid pulses of light through a cable and tiny imperfections in the fibre scatter light back to an interrogator instrument.

The timing of the reflected signals reveals where along the cable the motion occurred, allowing a single fibre to function like thousands of evenly spaced sensors. According to the team, a cable a few kilometres long can record signals at a higher spatial resolution than traditional seismic networks.

The team report other use cases beyond quake detection. “Vibrations generated by spacecraft landings and take-offs could serve as active seismic sources, allowing fibre-optic cables to image the Moon’s sub-surface structures in a similar way to medical ultrasound,” said lead author and doctoral researcher Simone Probst.

The cables could also detect how much lunar dust is stirred up by rocket exhaust during landings, which could help mission planners better understand and mitigate dust-related risks for future missions.  

Probst and Carly Donahue, a former senior scientist at ETH Zurich, conducted shaker tests at Los Alamos using crushed basalt, which is similar to regolith found on the Moon’s surface. Lab tests are said to have shown promising results with thicker cables recording seismic signals nearly as well when lying in direct, continuous contact with the surface as when buried in the basalt.  

“Understanding how cables perform under varying conditions is essential,” Probst said in a statement. “We are complementing our experiments with computer simulations to study how cables couple with the ground, and how this interaction is shaped by lunar gravity.” 

Researchers found that while wind weakens signals of cables on Earth, the Moon’s lack of atmosphere could make it possible to roll out cables on the surface instead of burying them underground. Simulations also model how cables respond to seismic waves under lunar conditions.  

“Fibre-optic sensing could dramatically expand our understanding of the Moon – its interior, lava tubes, landing sites, and water resources,” said Robertsson, senior author of the study. “Long cables could also pick up signals of tidal stresses caused by Earth’s gravity allowing scientists better understand how seismic waves travel through the Moon. It has even been proposed that DAS could detect gravitational waves exciting the normal modes of the Moon.” 

The research, detailed in Earth and Space Science, is part of a broader effort to develop next-generation sensing technologies.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/fibre-optic-cables-could-map-moon-s-interior