In de diepe ruimte, nauwkeurige tijdwaarneming is essentieel voor navigatie, maar veel ruimtevaartuigen hebben geen nauwkeurige uurwerken aan boord. Al 20 jaar, NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, heeft een klok geperfectioneerd. Het is geen polshorloge; niet iets dat je in een winkel zou kunnen kopen. Het is de Deep Space Atomic Clock (DSAC), een instrument dat perfect is voor verkenning van de diepe ruimte.

Momenteel, de meeste missies vertrouwen op grondantennes in combinatie met atoomklokken voor navigatie. Grondantennes sturen nauw gerichte signalen naar ruimtevaartuigen, die, beurtelings, het signaal terugsturen. NASA gebruikt het tijdsverschil tussen het verzenden van een signaal en het ontvangen van een reactie om de locatie van het ruimtevaartuig te berekenen. snelheid en pad.

Deze methode, hoewel betrouwbaar, veel efficiënter zou kunnen. Bijvoorbeeld, een grondstation moet wachten tot het ruimtevaartuig een signaal teruggeeft, dus een station kan maar één ruimtevaartuig tegelijk volgen. Dit vereist dat ruimtevaartuigen wachten op navigatiecommando's van de aarde in plaats van die beslissingen aan boord en in realtime te nemen.

"Navigeren in de diepe ruimte vereist het meten van grote afstanden met behulp van onze kennis van hoe radiosignalen zich in de ruimte voortplanten, " zei Todd Ely van JPL, hoofdonderzoeker van DSAC. "Redelijk navigeren vereist afstandsmetingen die tot op een meter nauwkeurig zijn. Aangezien radiosignalen met de snelheid van het licht reizen, dat betekent dat we hun vluchttijd moeten meten tot op enkele nanoseconden nauwkeurig. Atoomklokken doen dit al tientallen jaren routinematig op de grond. Dit doen in de ruimte is waar het bij DSAC om draait."

Het DSAC-project heeft tot doel nauwkeurige tijdwaarneming aan boord te bieden voor toekomstige NASA-missies. Ruimtevaartuigen die deze nieuwe technologie gebruiken, hoeven niet langer te vertrouwen op tweerichtingsverkeer. Een ruimtevaartuig kan een signaal van de aarde gebruiken om de positie te berekenen zonder het signaal terug te sturen en te wachten op commando's van de grond. een proces dat uren kan duren. Tijdige locatiegegevens en controle aan boord zorgen voor efficiëntere operaties, nauwkeuriger manoeuvreren en aanpassingen aan onverwachte situaties.

Deze paradigmaverschuiving stelt ruimtevaartuigen in staat zich te concentreren op missiedoelen in plaats van hun positie aan te passen om antennes naar de aarde te richten om een ​​link te sluiten voor tweerichtingstracking.

Aanvullend, deze innovatie zou grondstations in staat stellen om meerdere satellieten tegelijk te volgen in de buurt van drukke gebieden zoals Mars. In bepaalde scenario's, de nauwkeurigheid van die trackinggegevens zou de traditionele methoden met een factor vijf overtreffen.

DSAC is een geavanceerd prototype van een kleine, atoomklok met lage massa gebaseerd op kwik-ion trap-technologie. De atoomklokken op grondstations in NASA's Deep Space Network zijn ongeveer zo groot als een kleine koelkast. DSAC is ongeveer zo groot als een broodrooster, en kan verder worden verkleind voor toekomstige missies.

De DSAC-testvlucht zal deze technologie van het laboratorium naar de ruimteomgeving brengen. Terwijl in een baan, de DSAC-missie zal de navigatiesignalen van de Amerikaanse GPS gebruiken in combinatie met nauwkeurige kennis van de banen en klokken van GPS-satelliet om de prestaties van DSAC te bevestigen. De demonstratie zou moeten bevestigen dat DSAC de tijdnauwkeurigheid kan behouden tot beter dan twee nanoseconden (.000000002 seconden) gedurende een dag, met als doel een nauwkeurigheid van 0,3 nanoseconde te bereiken.

Zodra DSAC zijn moed heeft bewezen, toekomstige missies kunnen de technologische verbeteringen gebruiken. De klok belooft een grotere hoeveelheid trackinggegevens en een verbeterde kwaliteit van de trackinggegevens. Door DSAC te koppelen aan radionavigatie aan boord, kunnen toekomstige verkenningsmissies de navigatiegegevens hebben die nodig zijn om het zonnestelsel te doorkruisen.

Technologieën aan boord van DSAC kunnen ook de stabiliteit van de GPS-klok verbeteren en beurtelings, de service die GPS aan gebruikers wereldwijd biedt. Testresultaten op de grond hebben aangetoond dat DSAC meer dan 50 keer stabieler is dan de atoomklokken die momenteel op GPS worden gevlogen. DSAC belooft de meest stabiele navigatieruimteklok ooit te worden.

"We hebben hoge doelen voor het verbeteren van navigatie in de diepe ruimte en wetenschap met behulp van DSAC, "zei Ely. "Het kan een reële en onmiddellijke impact hebben voor iedereen hier op aarde als het wordt gebruikt om de beschikbaarheid en blijvende prestaties van het GPS-systeem te garanderen."