Voor de eerste keer, een optische klok is naar de ruimte gereisd, het overleven van zware raketlanceringsomstandigheden en succesvol opereren onder de microzwaartekracht die op een satelliet zou worden ervaren. Deze demonstratie brengt optische kloktechnologie veel dichter bij implementatie in de ruimte, waar het uiteindelijk GPS-gebaseerde navigatie mogelijk zou kunnen maken met locatienauwkeurigheid op centimeterniveau.

In het tijdschrift The Optical Society voor high impact research, optiek , onderzoekers rapporteren over een nieuw compact, robuust en geautomatiseerd frequentiekamlasersysteem dat de sleutel was tot de werking van de optische klok in de ruimte. Frequentiekammen zijn de "tandwielen" die nodig zijn om klokken te laten tikken op optische frequenties.

"Ons apparaat vormt een hoeksteen in de ontwikkeling van toekomstige op de ruimte gebaseerde precisieklokken en metrologie, " zei Matthias Lezius van Menlo Systems GmbH, eerste auteur van het artikel. "De optische klok presteerde in de ruimte hetzelfde als op de grond, waaruit blijkt dat onze systeemtechniek heel goed werkte."

Tijd gebruiken voor locatie

Telefoons en andere GPS-apparaten bepalen uw locatie op aarde door contact te maken met ten minste vier satellieten met atoomklokken. Elk van deze satellieten geeft een tijdstempel, en het systeem berekent uw locatie op basis van de relatieve verschillen tussen die tijden. De atoomklokken die op de huidige satellieten worden gebruikt, zijn gebaseerd op natuurlijke oscillatie van het cesiumatoom - een frequentie in het microgolfgebied van het elektromagnetische spectrum.

Optische klokken gebruiken atomen of ionen die ongeveer 100 oscilleren, 000 keer hoger dan microgolffrequenties, in de optische, of zichtbaar, deel van het elektromagnetische spectrum. De hogere frequenties betekenen dat optische klokken sneller "tikken" dan microgolf-atoomklokken en dus tijdstempels kunnen opleveren die 100 tot 1 zijn. 000 keer nauwkeuriger, sterk verbeteren van de precisie van GPS.

Frequentiekammen zijn een belangrijk onderdeel van optische klokken omdat ze werken als tandwielen, het verdelen van de snellere oscillaties van optische klokken in lagere frequenties die moeten worden geteld en gekoppeld aan een op microgolven gebaseerde referentie-atoomklok. Met andere woorden, frequentiekammen maken het mogelijk de optische trillingen nauwkeurig te meten en te gebruiken om de tijd te bepalen.

Tot voor kort, frequentiekammen zijn erg groot geweest, complexe opstellingen die alleen in laboratoria voorkomen. Lezius en zijn team bij Menlo Systems, een spin-off bedrijf van Nobelprijswinnaar T.W. Hänsch's groep bij het Max Plank Institute for Quantum Optics, ontwikkelde een volledig geautomatiseerde optische frequentiekam die slechts 22 bij 14,2 centimeter meet en 22 kilogram weegt.

De nieuwe frequentiekam is gebaseerd op optische vezels, waardoor het robuust genoeg is om door de extreme versnellingskrachten en temperatuurveranderingen te reizen die worden ervaren bij het verlaten van de aarde. Het stroomverbruik is minder dan 70 watt, ruim binnen de vereisten voor satellietgebaseerde apparaten.

Reizen naar de ruimte

De onderzoekers combineerden hun nieuwe frequentiekam met een atomaire cesiumklok ter referentie en een rubidium optische klok ontwikkeld door onderzoeksgroepen van het Ferdinand Braun Institute Berlin en Humbold University Berlin, evenals een groep van de Hamburg University die onlangs naar de Universiteit van Mainz verhuisde. Airbus Defence &Space GmbH was betrokken bij de bouw, interface, en integratie van de payload-module die de ruimte in ging en ook voor ondersteuning en uitrusting zorgde tijdens de vlucht.

in april 2015, het hele systeem werd op een onderzoeksraket gevlogen voor een parabolische vlucht van 6 minuten de ruimte in als onderdeel van het TEXUS-programma dat wordt gelanceerd vanuit het Esrange Space Center in Zweden. Toen microzwaartekracht eenmaal was bereikt, het systeem startte automatisch metingen en werd bestuurd vanaf het grondstation via een radioverbinding met lage bandbreedte.

"Het experiment demonstreerde de functionaliteit van de kam als een vergelijkende frequentiedeler tussen de optische rubidiumovergang bij 384 THz en de cesiumklok die een 10 MHz-referentie levert, ' zei Lezius.

Hoewel de optische klok die in de demonstratie werd gebruikt ongeveer een tiende van de nauwkeurigheid had van de atoomklokken die tegenwoordig op GPS-satellieten worden gebruikt, de onderzoekers werken al aan een nieuwe versie die de nauwkeurigheid met verschillende ordes van grootte zal verbeteren.

Wereldwijde waarneming vanuit de ruimte

De zeer nauwkeurige metingen die mogelijk worden gemaakt met frequentiekammen kunnen voor veel toepassingen nuttig zijn. Bijvoorbeeld, ruimtegebaseerde frequentiekammen zouden de nauwkeurigheid van wereldwijde teledetectie van broeikasgassen van satellieten kunnen verbeteren en zouden kunnen worden gebruikt voor ruimtegebaseerde zwaartekrachtgolfdetectoren.

"Toepassingen op basis van frequentiekammen zijn heel belangrijk voor toekomstige optische klokken in de ruimte, precisie metrologie en aardobservatie technieken, "zei Lezius. "De gereedheid voor ruimtetechnologie van frequentiekammen ontwikkelt zich in een snel tempo."

De onderzoekers zijn van plan om eind 2017 een verbeterde versie van de optische klok de ruimte in te vliegen. de frequentiekammodule vliegt niet onder een onder druk staande koepel om te testen hoe goed het werkt in de vacuümomstandigheden die op een satelliet zouden worden ervaren. De onderzoekers proberen ook de weerstand van het systeem tegen harde kosmische straling verder te verbeteren om ervoor te zorgen dat het meerdere jaren in een baan om de aarde kan werken.

Binnen enkele jaren, Lezius en zijn team streven naar een voor de ruimte gekwalificeerde frequentiekammodule die de ruimtegemeenschap kan gebruiken in toekomstige missies en toepassingen. Ze mikken op een toestel met een inhoud van zo'n 3 liter dat een paar kilo weegt en een stroomverbruik heeft van ongeveer 10 watt.