Al meer dan twee jaar, NASA's Deep Space Atomic Clock heeft de tijdwaarnemingsgrenzen in de ruimte verlegd. Op 18 september 2021, haar missie kwam tot een succesvol einde.

Het instrument wordt gehost op het Orbital Test Bed-ruimtevaartuig van General Atomics dat op 25 juni werd gelanceerd aan boord van de missie van het Department of Defense Space Test Program 2. 2019. Het doel:de haalbaarheid testen van het gebruik van een atoomklok aan boord om de navigatie van ruimtevaartuigen in de verre ruimte te verbeteren.

Momenteel, ruimtevaartuigen vertrouwen op atoomklokken op de grond. Om de baan van een ruimtevaartuig te meten terwijl het voorbij de maan reist, navigators gebruiken deze tijdwaarnemers om precies bij te houden wanneer die signalen worden verzonden en ontvangen. Omdat navigators weten dat radiosignalen met de snelheid van het licht reizen (ongeveer 186, 000 mijl per seconde, of 300, 000 kilometer per seconde), ze kunnen deze tijdmetingen gebruiken om de exacte afstand van het ruimtevaartuig te berekenen, snelheid, en rijrichting.

Maar hoe verder een ruimtevaartuig van de aarde is, hoe langer het duurt om signalen te verzenden en te ontvangen - van enkele minuten tot enkele uren - waardoor deze berekeningen aanzienlijk worden vertraagd. Met een atoomklok aan boord gecombineerd met een navigatiesysteem, het ruimtevaartuig kon onmiddellijk berekenen waar het is en waar het naartoe gaat.

Gebouwd door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië, de Deep Space Atomic Clock is een ultraprecieze, kwik-ion-atoomklok verpakt in een kleine doos van ongeveer 25 centimeter aan elke kant - ongeveer de grootte van een broodrooster. Ontworpen om de ontberingen van de lancering en de kou te overleven, omgeving met veel straling in de ruimte zonder dat de prestaties van de tijdwaarneming verslechteren, de Deep Space Atomic Clock was een technologiedemonstratie die bedoeld was om technologische primeurs uit te voeren en kritieke kennislacunes op te vullen.

Nadat het instrument zijn eenjarige primaire missie in een baan om de aarde had voltooid, NASA breidde de missie uit om meer gegevens te verzamelen vanwege de uitzonderlijke stabiliteit van de tijdwaarneming. Maar voordat de technische demo op 18 september werd uitgeschakeld, de missie heeft in de laatste dagen overuren gemaakt om zoveel mogelijk gegevens te extraheren.

"De Deep Space Atomic Clock-missie was een doorslaand succes, en de parel van het verhaal hier is dat de technologiedemonstratie ver voorbij de beoogde operationele periode werkte, " zei Todd Ely, hoofdonderzoeker en projectmanager bij JPL.

De gegevens van het baanbrekende instrument zullen helpen bij de ontwikkeling van Deep Space Atomic Clock-2, een technische demo die naar Venus reist aan boord van NASA's Venus Emissivity, Radio Wetenschap, inSAR, Topografie en spectroscopie (VERITAS) ruimtevaartuig wanneer het wordt gelanceerd in 2028. Dit zal de eerste test zijn voor een atoomklok in de verre ruimte en een monumentale vooruitgang voor een grotere autonomie van het ruimtevaartuig.

Stabiliteit is alles

Hoewel atoomklokken de meest stabiele tijdwaarnemers ter wereld zijn, ze hebben nog steeds instabiliteiten die een minuscule vertraging kunnen veroorzaken, of "compensatie, " in de tijd van de klok versus de werkelijke tijd. Ongecorrigeerd gelaten, deze offsets zullen oplopen en kunnen leiden tot grote positioneringsfouten. Fracties van een seconde kunnen het verschil betekenen tussen veilig aankomen op Mars of de planeet helemaal missen.

Updates kunnen van de aarde naar het ruimtevaartuig worden gestraald om deze offsets te corrigeren. Global Positioning System (GPS) satellieten, bijvoorbeeld, dragen atoomklokken om ons te helpen van punt A naar B te komen. Om ervoor te zorgen dat ze de tijd nauwkeurig bijhouden, updates moeten regelmatig vanaf de grond naar hen worden verzonden. Maar het zou niet praktisch zijn om regelmatig updates van de aarde naar een atoomklok in de ruimte te sturen en zou het doel om een ​​ruimtevaartuig ermee uit te rusten teniet doen.

Dit is de reden waarom een ​​atoomklok op een ruimtevaartuig dat de diepe ruimte verkent, vanaf het begin zo stabiel mogelijk moet zijn, waardoor het minder afhankelijk is van de aarde om te worden bijgewerkt.

"De Deep Space Atomic Clock is in dit doel geslaagd, " zei Eric Burt van JPL, een atoomklokfysicus voor de missie. "We hebben een nieuw record bereikt voor de stabiliteit van atoomklokken op de lange termijn in de ruimte - meer dan een orde van grootte beter dan GPS-atoomklokken. Dit betekent dat we nu de stabiliteit hebben om meer autonomie mogelijk te maken in diepe ruimtemissies en mogelijk GPS satellieten die minder afhankelijk zijn van tweemaal daagse updates als ze ons instrument zouden dragen."

In een recente studie, het Deep Space Atomic Clock-team meldde een afwijking van minder dan vier nanoseconden na meer dan 20 dagen gebruik.

Net als zijn voorganger, de Deep Space Atomic Clock-2 wordt een technische demo, wat betekent dat VERITAS er niet van afhankelijk is om zijn doelen te bereiken. Maar deze volgende iteratie zal kleiner zijn, minder stroom verbruiken, en ontworpen zijn om een ​​meerjarige missie als VERITAS te ondersteunen.

"Het is een opmerkelijke prestatie van het team - de technologiedemonstratie heeft bewezen een robuust systeem in een baan om de aarde te zijn, en we kijken er nu naar uit om een ​​verbeterde versie naar Venus te zien gaan, zei Trudy Kortes, directeur van technologiedemonstraties voor NASA's Science and Technology Mission Directorate (STMD) op het NASA-hoofdkwartier in Washington. "Dit is wat NASA doet:we ontwikkelen nieuwe technologieën en verbeteren bestaande technologieën om menselijke en robotische ruimtevluchten vooruit te helpen. De Deep Space Atomic Clock heeft echt het potentieel om de manier waarop we de diepe ruimte verkennen te transformeren."

Jason Mitchel, de directeur van de Advanced Communications &Navigation Technology Division van NASA's Space Communications and Navigation (SCaN) op het hoofdkantoor van het bureau was het ermee eens:"De prestaties van het instrument waren echt uitzonderlijk en een bewijs van de capaciteiten van het team. Voor de toekomst, niet alleen zal de Deep Space Atomic Clock belangrijke, nieuwe operationele mogelijkheden voor NASA's menselijke en robotverkenningsmissies, het kan ook een diepere verkenning van de fundamentele fysica van relativiteit mogelijk maken, net zoals de klokken die GPS ondersteunen, hebben gedaan."