Wczoraj wcześnie rano NASA wystrzeliła na orbitę rakietę SpaceX Falcon Heavy z orbitą misji naukowych. Jednym z najbardziej intrygujących ładunków był zegar, który będzie tykał przez około rok, okrążając planetę. Ale to nie jest zwykły zegar: zegar atomowy Deep Space to technologia, która może znacznie ułatwić nawigację w kosmosie w przyszłości.
Kasandra Brabaw z Space.com donosi, że większość sond wysłanych do kosmosu jest śledzona z Ziemi przez fale radiowe, które poruszają się z prędkością światła. Sygnał jest wysyłany z Ziemi i natychmiast wracany do kontroli misji, pozwalając przewodnikom sondy obliczyć dokładną pozycję na podstawie tego, ile czasu zajęło mu dotarcie sygnału. Proces ten opiera się na sieci kosmicznej Deep Space Network firmy NASA, szeregu anten radiowych, które mogą obsłużyć tylko tyle ruchu kosmicznego w danym momencie.
Gdyby sondy miały zegary wystarczająco stabilne i wystarczająco precyzyjne, aby mogły wytyczyć własny kurs, mogliby wykonać część tej nawigacji autonomicznie, informuje Jonathan Amos z BBC.
„Autonomiczna nawigacja na pokładzie oznacza, że statek kosmiczny może wykonywać własną nawigację w czasie rzeczywistym, nie czekając na wysłanie wskazówek nawigacyjnych z powrotem tutaj na Ziemi”, powiedział zastępcy głównego badacza Jill Seubert dziennikarzom na konferencji prasowej. „Samobieżne” statki kosmiczne są również kluczowym elementem wprowadzania ludzi na Marsa. „Dzięki tej możliwości statek kosmiczny z załogą może być bezpiecznie dostarczony na miejsce lądowania, z mniejszą niepewnością na drodze”.
Ale nawet najładniejszy Rolex nie pokona go w kosmosie. Kryształy kwarcu oscylują z regularną częstotliwością, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny, dlatego przyzwyczaja się je do zegarów, aby śledzić czas. Są wystarczająco precyzyjne, jeśli chodzi o wstawanie do pracy lub łapanie pociągu, ale same w sobie nie są wystarczająco dokładne, aby nawigować w kosmosie. Mogą stracić pełną milisekundę w ciągu sześciu tygodni, co byłoby katastrofalne dla sondy kosmicznej.
Aby uzyskać precyzję miliardową sekundy potrzebną do przelotu przez kosmos, potrzebny jest zegar atomowy, gadżet, który trenuje swój kryształ kwarcu do oscylacji niektórych atomów. Elektrony wokół tych atomów zajmują odrębne poziomy energii lub orbity, i potrzeba precyzyjnego szarpnięcia elektryczności, aby spowodować skok do następnego poziomu energii. „Fakt, że różnica energii między tymi orbitami jest tak precyzyjna i stabilna, jest tak naprawdę kluczowym składnikiem zegarów atomowych” - powiedział Eric Burt, fizyk z zegarem atomowym w NASA Jet Propulsion Laboratory. „To jest powód, dla którego zegary atomowe mogą osiągnąć poziom wydajności wykraczający poza zegary mechaniczne”.
W zegarze atomowym częstotliwość oscylatora kwarcowego jest dokładnie dostrojona, aby dopasować energię potrzebną do wyskoczenia elektronów do nowego poziomu energii. Gdy kwarc wibruje z odpowiednią częstotliwością, elektrony przeskoczą do następnego poziomu energii. Jeśli nie, zegar wie, że częstotliwość jest wyłączona i może się skorygować, co następuje co kilka sekund.
Obecnie większość naziemnych zegarów atomowych ma wielkość lodówki. Wejdź do Deep Space Atomic Clock, z którym inżynierowie NASA majstrują od prawie 20 lat. Gadżet wielkości wielkości tostera wykorzystuje naładowane jony rtęci, aby utrzymać prawdziwy oscylator kwarcowy, i traci tylko około jednego nanosekundy w ciągu czterech dni. Zegar potrzebowałby około 10 milionów lat na wyłączenie się o jedną sekundę, co czyni go około 50 razy bardziej stabilnym niż precyzyjne zegary używane w nawigacji satelitarnej GPS.
Zegar znajduje się obecnie na niskiej orbicie ziemskiej i włączy się za cztery do siedmiu tygodni. Po trzech do czterech tygodniach działania naukowcy przeanalizują jego wstępne wyniki i wydadzą ostateczny werdykt na temat tego, jak dobrze działa w kosmosie po około roku przybliżania się do planety.
Jeśli zegar jest wystarczająco stabilny, zgodnie z oświadczeniem NASA, może zacząć pojawiać się w statku kosmicznym przed 2030 rokiem. Niezależnie od tego, czy ta wersja przetrwa, czy nie, zegary atomowe lub podobna technologia będą miały kluczowe znaczenie w przyszłych misjach kosmicznych na inne światy.
„Zegar atomowy z głębokiej przestrzeni kosmicznej będzie mógł wspomagać nawigację, nie tylko lokalnie, ale także na innych planetach” - mówi Burt. „Można to sobie wyobrazić tak, jakbyśmy mieli GPS na innych planetach.”
Inne eksperymenty, które weszły na orbitę z zegarem, obejmują misję Infusion Green Propellant, która testuje system, który wykorzystuje wysokowydajne, nietoksyczne paliwo kosmiczne, oraz eksperyment Enhanced Tandem Beacon, który bada pęcherzyki w naładowanych elektrycznie warstwach atmosfery ziemskiej, która czasami może zakłócać sygnały GPS.
