Ruimtevaartuigen die zich buiten onze maan wagen, vertrouwen op communicatie met grondstations op aarde om erachter te komen waar ze zijn en waar ze naartoe gaan. NASA's Deep Space Atomic Clock werkt eraan om die verre ontdekkingsreizigers meer autonomie te geven bij het navigeren. In een nieuw artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur , de missie rapporteert vooruitgang in hun werk om het vermogen van op de ruimte gebaseerde atoomklokken te verbeteren om de tijd consistent over lange perioden te meten.

Bekend als stabiliteit, deze functie heeft ook invloed op de werking van GPS-satellieten die mensen helpen navigeren op aarde, dus dit werk heeft ook het potentieel om de autonomie van GPS-ruimtevaartuigen van de volgende generatie te vergroten.

Om de baan van een ver ruimtevaartuig te berekenen, ingenieurs sturen signalen van het ruimtevaartuig naar de aarde en terug. Ze gebruiken atoomklokken ter grootte van een koelkast op de grond om de timing van die signalen te registreren. wat essentieel is voor het nauwkeurig meten van de positie van het ruimtevaartuig. Maar voor robots op Mars of verder weg gelegen bestemmingen, wachten op de signalen om de reis te maken, kan snel oplopen tot tientallen minuten of zelfs uren.

Als die ruimtevaartuigen atoomklokken droegen, ze konden hun eigen positie en richting berekenen, maar de klokken zouden zeer stabiel moeten zijn. GPS-satellieten dragen atoomklokken om ons te helpen onze bestemmingen op aarde te bereiken, maar die klokken hebben meerdere keren per dag updates nodig om het noodzakelijke niveau van stabiliteit te behouden. Deep space-missies zouden stabielere op de ruimte gebaseerde klokken vereisen.

Beheerd door NASA's Jet Propulsion Laboratory in Zuid-Californië, de Deep Space Atomic Clock is sinds juni 2019 aan boord van het Orbital Test Bed-ruimtevaartuig van General Atomic. De nieuwe studie meldt dat het missieteam een ​​nieuw record heeft gevestigd voor de stabiliteit van de atoomklok op de lange termijn in de ruimte, het bereiken van meer dan 10 keer de stabiliteit van de huidige ruimtegebaseerde atoomklokken, inclusief die op GPS-satellieten.

Als elke nanoseconde telt

Alle atoomklokken hebben een zekere mate van instabiliteit die leidt tot een afwijking in de tijd van de klok ten opzichte van de werkelijke tijd. Indien niet gecorrigeerd, de compensatie, hoewel minuscuul, neemt snel toe, en met ruimtevaartuignavigatie, zelfs een kleine offset kan drastische effecten hebben.

Een van de belangrijkste doelen van de Deep Space Atomic Clock-missie was om de stabiliteit van de klok over langere en langere perioden te meten, om te zien hoe het met de tijd verandert. In de nieuwe krant het team meldt een stabiliteitsniveau dat leidt tot een tijdafwijking van minder dan vier nanoseconden na meer dan 20 dagen gebruik.

"Als een algemene regel, een onzekerheid van één nanoseconde in de tijd komt overeen met een afstandsonzekerheid van ongeveer één voet, " zei Eric Burt, een atoomklokfysicus voor de missie bij JPL en co-auteur van het nieuwe artikel. "Sommige GPS-klokken moeten meerdere keren per dag worden bijgewerkt om dit niveau van stabiliteit te behouden, en dat betekent dat GPS sterk afhankelijk is van communicatie met de grond. De Deep Space Atomic Clock duwt dit uit tot een week of langer, waardoor een applicatie als GPS mogelijk veel meer autonomie krijgt."

De stabiliteit en daaropvolgende vertraging die in het nieuwe artikel wordt gerapporteerd, is ongeveer vijf keer beter dan wat het team in het voorjaar van 2020 rapporteerde. Dit betekent geen verbetering van de klok zelf, maar in de meting van de stabiliteit van de klok door het team. Langere bedrijfsperioden en bijna een volledig jaar aan aanvullende gegevens maakten het mogelijk om de nauwkeurigheid van hun meting te verbeteren.

De Deep Space Atomic Clock-missie eindigt in augustus, maar NASA heeft aangekondigd dat het werk aan deze technologie doorgaat:de Deep Space Atomic Clock-2, een verbeterde versie van de geavanceerde tijdwaarnemer, zal vliegen op de VERITAS (afkorting van Venus Emissivity, Radio Wetenschap, inSAR, Topografie, en spectroscopie) missie naar Venus. Net als zijn voorganger, de nieuwe ruimteklok is een technologiedemonstratie, wat betekent dat het doel is om de mogelijkheden in de ruimte te vergroten door instrumenten te ontwikkelen, hardware, software, of iets dergelijks dat momenteel niet bestaat. Gebouwd door JPL en gefinancierd door NASA's Space Technology Mission Directorate (STMD), het ultraprecieze kloksignaal dat met deze technologie wordt gegenereerd, kan helpen om autonome ruimtevaartuignavigatie mogelijk te maken en radiowetenschappelijke observaties tijdens toekomstige missies te verbeteren.

"NASA's selectie van Deep Space Atomic Clock-2 op VERITAS spreekt tot de belofte van deze technologie, " zei Todd Ely, Deep Space Atomic Clock hoofdonderzoeker en projectmanager bij JPL. "Op VERITAS, we willen deze ruimteklok van de volgende generatie op de proef stellen en zijn potentieel voor deep space-navigatie en wetenschap demonstreren."