Het precies meten van een afstand klinkt als een saaie bezigheid. 100,0 meter of 100,0000 meter is hetzelfde zou je zeggen. Maar er is toch meer dan dat, het nauwkeurig kunnen meten van afstand geeft allerlei nieuwe mogelijkheden.

Een allerdaags voorbeeld waar een precieze afstandsmeting gebruikt wordt is Global Positioning System (GPS). GPS zit bijvoorbeeld in TomToms en iPhones. Het werkt met een systeem van satellieten die rond de aarde cirkelen en allemaal een precieze klok aan boord hebben en de actuele tijd daarvan uitzenden. Je ontvanger meet vervolgens die verschillende signalen, die allemaal op verschillende momenten aankomen. De vertraging waarmee elk signaal bij de ontvanger aankomt is afhankelijk van de afstand tot de desbetreffende satelliet, en uit deze gegevens bepaalt de ontvanger de afstand tot al die satellieten, zo weet je dus op een paar meter precies waar je staat, overal op aarde. Het feit dat de satellieten erg precies de tijd weten die ze versturen, kan in een precieze afstand omgezet worden met behulp van de lichtsnelheid waarmee het signaal van de GPS satelliet naar de ontvanger heeft gereisd.

Onderzoekers aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado hebben het ambacht van het opmeten van een afstand weer een stapje hoger getild. Hun resultaten zijn deze week in Nature Photonics online gepubliceerd. Door gebruik te maken van een handige combinatie van technieken kunnen ze razendsnel een afstand van 30 km meten tot op een precisie van 5 nanometer! De sleutel achter deze precisie is de technologie van de optische frequentiekammen (Nobelprijs natuurkunde 2005). Een frequentiekam is een type laser die ultrakorte pulsen geeft die heel erg goed te manipuleren zijn. Deze pulsen worden weg gestuurd en weerkaatst op een voorwerp ver weg. De afstandsmeting wordt nu gedaan door twee methoden te combineren. Enerzijds wordt gemeten hoe lang deze puls onderweg is geweest, dit geeft een grove meting van de afstand. Anderzijds wordt de puls geïnterfereerd met een referentie puls (een die niet heen en weer is geweest). Dit interfereren is het overlappen van de twee pulsen en daarmee is een precisie te halen van minder dan de golflengte van het gebruikte licht (een paar nanometer).

Nu kun je je afvragen wat je moet met zo’n hogere precisie, een TomTom met submillimeter precisie lijkt een beetje overkill. Toch liggen er al andere toepassingen op de plank. Een daarvan is het gebruik van deze techniek in zwevende ruimte telescopen. Door een aantal satellieten zoals de Hubble op een grote afstand in formatie te laten vliegen kun je effectief een grotere spiegel krijgen. Grotere spiegels geven meer resolutie en daarmee zou het bijvoorbeeld mogelijk zijn om planeten in andere zonnestelsels nauwkeurig te kunnen bestuderen. Om daadwerkelijk de satellieten als een immense telescoop te kunnen laten werken is uiteraard het meten en manipuleren van de onderlinge afstand essentieel, en de resultaten van de NIST groep bieden een snelle en simpele methode om dit met hoge precisie te kunnen doen.