NASA włączyła nowy, superprecyzyjny, oparty na przestrzeni kosmicznej zegar atomowy, który, jak ma nadzieję agencja, pomoże statkom kosmicznym poprowadzić się w kosmosie bez polegania na zegarach ziemskich.
Nazywa się to Deep Space Atomic Clock (DSAC) i działa poprzez pomiar zachowań jonów rtęci uwięzionych w małej ramce. Jest na orbicie od czerwca, ale po raz pierwszy została pomyślnie aktywowana 23 sierpnia. To wcale nie jest krzykliwe - tylko szare pudełko o wielkości czteropłatkowego tostera i pełne drutów, Jill Seubert, inżynier lotnictwa i kosmonautyki liderów projektu w NASA, powiedział Live Science. Ale ten niepozorny rozmiar jest o co chodzi: Suebert i jej koledzy pracują nad zaprojektowaniem zegara wystarczająco małego, aby załadować go na dowolny statek kosmiczny i wystarczająco precyzyjnego, aby pokierować skomplikowanymi manewrami w kosmosie bez wkładu ze strony swoich kuzynów wielkości lodówki na Ziemi.
Potrzebujesz precyzyjnego zegara, aby znaleźć drogę w kosmosie, ponieważ jest duży i pusty. Istnieje kilka punktów orientacyjnych, na podstawie których można ocenić swoją pozycję lub prędkość, a większość z nich jest zbyt daleko, aby podać dokładne informacje. Seubert powiedział, że każda decyzja o zawróceniu statku lub odpaleniu silników odrzutowych zaczyna się od trzech pytań: gdzie ja jestem? Jak szybko się poruszam? I w jakim kierunku?
Najlepszym sposobem na udzielenie odpowiedzi na te pytania jest przyjrzenie się obiektom, na które odpowiedzi są już znane, takim jak nadajniki radiowe na Ziemi lub satelity GPS śledzące znane trasy orbitalne w przestrzeni kosmicznej. Wyślij sygnał z prędkością światła z dokładnym czasem w punkcie A i zmierz, ile czasu zajmuje dotarcie do punktu B. To pokazuje odległość między A i B. Wyślij dwa kolejne sygnały z dwóch kolejnych lokalizacji, a będziesz miał wystarczającą ilość informacji, aby dowiedzieć się dokładnie, gdzie punkt B znajduje się w trójwymiarowej przestrzeni. (Tak działa oprogramowanie GPS w telefonie: poprzez ciągłe sprawdzanie drobnych różnic w sygnaturach czasowych nadawanych przez różne satelity na orbicie).
Seubert powiedział, że w celu nawigacji kosmicznej NASA opiera się obecnie na podobnym, ale mniej precyzyjnym systemie. Większość zegarów atomowych i urządzeń nadawczych znajduje się na Ziemi i razem tworzą one tak zwaną Deep Space Network. Dlatego NASA zwykle nie może obliczyć pozycji i prędkości statku kosmicznego z trzech źródeł za jednym razem. Zamiast tego agencja stosuje serię pomiarów, gdy zarówno Ziemia, jak i statek kosmiczny poruszają się w przestrzeni w czasie, aby ustalić kierunek i pozycję statku kosmicznego.
Aby statek kosmiczny wiedział, gdzie jest, musi odebrać sygnał z sieci kosmicznej, obliczyć czas potrzebny na nadejście sygnału i użyć prędkości światła do ustalenia odległości. ”Aby to zrobić bardzo dokładnie, musisz musimy być w stanie zmierzyć te czasy - czasy wysłania i odebrania sygnału - tak dokładnie, jak to możliwe. A na ziemi, gdy wysyłamy te sygnały z naszej sieci Deep Space Network, mamy bardzo precyzyjne zegary atomowe i dokładne - powiedział Seubert. „Do tej pory zegary, które mieliśmy, były wystarczająco małe i miały wystarczająco małą moc, aby latać na statku kosmicznym, nazywane są ultrastabilnymi oscylatorami, co jest całkowitym błędem. Nie są one ultrastabilne. Nagrywają ten sygnał - otrzymany czas, ale jego dokładność jest bardzo niska ”.
Ponieważ dane o położeniu na pokładzie statku kosmicznego są tak niewiarygodne, zastanawianie się, jak nawigować - na przykład kiedy włączyć ster strumieniowy lub zmienić kurs - jest znacznie bardziej skomplikowane i musi zostać wykonane na Ziemi. Innymi słowy, ludzie na Ziemi jeżdżą statkiem kosmicznym z setek tysięcy lub milionów mil.
„Ale gdybyś mógł bardzo dokładnie zarejestrować czas odbierany na pokładzie za pomocą zegara atomowego, teraz masz możliwość zebrania wszystkich tych danych śledzenia na pokładzie i zaprojektowania komputera i radia tak, aby statek kosmiczny mógł sam prowadzić”, powiedziała.
NASA i inne agencje kosmiczne wcześniej umieszczały zegary atomowe w kosmosie. Nasza cała flota satelitarna GPS ma zegary atomowe. Ale w większości są zbyt niedokładne i nieporęczne do długotrwałej pracy, powiedział Seubert. Środowisko w kosmosie jest znacznie trudniejsze niż laboratorium badawcze na Ziemi. Temperatury zmieniają się, gdy zegary wpadają i wychodzą ze światła słonecznego. Poziomy promieniowania rosną i maleją.
„Jest to dobrze znany problem lotów kosmicznych i zwykle wysyłamy części utwardzone promieniowaniem, które, jak wykazaliśmy, mogą działać w różnych środowiskach promieniowania o podobnych parametrach” - powiedziała.
Ale promieniowanie wciąż zmienia sposób działania elektroniki. Zmiany te wpływają na wrażliwe urządzenia, których używają zegary atomowe do mierzenia upływu czasu, grożąc wprowadzeniem nieścisłości. Seubert zauważył, że wiele razy dziennie Siły Powietrzne przesyłają poprawki do zegarów satelitów GPS, aby uniemożliwić im zsynchronizowanie się z zegarami na ziemi.
Jej zdaniem, celem DSAC jest stworzenie systemu, który będzie nie tylko przenośny i wystarczająco prosty, aby można go było zainstalować na dowolnym statku kosmicznym, ale również wystarczająco wytrzymały, aby działać w kosmosie w perspektywie długoterminowej bez konieczności ciągłych zmian ze strony zespołów z Ziemi.
Seubert powiedział, że oprócz umożliwienia bardziej precyzyjnej nawigacji w kosmosie za pomocą sygnałów ziemskich, taki zegar może kiedyś pozwolić astronautom na odległych placówkach na poruszanie się, tak jak to robimy z naszymi urządzeniami mapującymi na Ziemi. Mała flota satelitów wyposażona w urządzenia DSAC mogłaby krążyć wokół Księżyca lub Marsa, działając w miejsce ziemskich systemów GPS, a ta sieć nie wymagałaby korekt kilka razy dziennie.
Powiedziała, że w dół drogi DSAC lub podobne urządzenia mogą odgrywać rolę w pulsarowych systemach nawigacyjnych, które śledzą taktowanie rzeczy, takich jak pulsowanie światła z innych układów gwiezdnych, aby umożliwić statkom kosmicznym nawigację bez żadnego wkładu z Ziemi.
Jednak w przyszłym roku celem jest sprawienie, aby ten pierwszy DSAC działał poprawnie, krążąc blisko Ziemi.
„Musimy przede wszystkim nauczyć się dostrajać zegar, aby działał poprawnie w tym środowisku” - powiedział Seubert.
Dodała, że lekcje, które załoga DSAC uczy podczas tuningu urządzenia w tym roku, powinny przygotować ich do korzystania z podobnych urządzeń w misjach dalekiego zasięgu na drodze.
