NASA heeft een nieuwe, supernauwkeurige, op de ruimte gebaseerde atoomklok ingeschakeld waarvan het bureau hoopt dat het ooit ruimtevaartuigen zal helpen zichzelf door de diepe ruimte te rijden zonder te vertrouwen op aardgebonden klokken.
Het heet de Deep Space Atomic Clock (DSAC) en het werkt door het gedrag te meten van kwikionen die gevangen zitten in het kleine frame. Het is sinds juni in een baan om de aarde, maar het werd voor het eerst met succes geactiveerd op 23 augustus. Het is helemaal niet flitsend - alleen een grijze doos ter grootte van een broodrooster met vier plakjes en vol met draden, Jill Seubert, een ruimtevaartingenieur en een van de leiders van het project bij NASA, vertelde WordsSideKick.com. Maar die bescheiden omvang is het punt: Suebert en haar collega's werken eraan om een klok te ontwerpen die klein genoeg is om op elk ruimtevaartuig te laden en precies genoeg is om gecompliceerde manoeuvres in de diepe ruimte te begeleiden zonder enige inbreng van zijn neven en nichten in de koelkast ter wereld.
Je hebt een nauwkeurige klok nodig om je weg door de ruimte te vinden, omdat deze groot en leeg is. Er zijn weinig herkenningspunten om uw positie of snelheid te beoordelen, en de meeste zijn te ver weg om nauwkeurige informatie te bieden. Dus elke beslissing om een schip te draaien of de stuwraketten ervan af te vuren, zei Seubert, begint met drie vragen: waar ben ik? Hoe snel beweeg ik? En in welke richting?
De beste manier om die vragen te beantwoorden, is door te kijken naar objecten waarvan de antwoorden al bekend zijn, zoals radiozenders op aarde of gps-satellieten die bekende baanbanen door de ruimte volgen. Stuur een signaal met lichte snelheid met de precieze tijd op punt A en meet hoe lang het duurt om naar punt B te komen. Dat vertelt je de afstand tussen A en B. Stuur nog twee signalen vanaf nog twee locaties, en je hebt genoeg informatie om precies uit te zoeken waar punt B zich in de driedimensionale ruimte bevindt. (Dit is hoe de GPS-software op uw telefoon werkt: door constant de kleine verschillen in maatsoorten te controleren die door verschillende satellieten in een baan om de aarde worden uitgezonden.)
Om door de ruimte te navigeren, vertrouwt NASA momenteel op een vergelijkbaar maar minder nauwkeurig systeem, zei Seubert. De meeste atoomklokken en omroepapparatuur bevinden zich op aarde en vormen samen wat bekend staat als het Deep Space Network. Dus NASA kan meestal niet de positie en snelheid van een ruimtevaartuig uit drie bronnen in één keer berekenen. In plaats daarvan gebruikt het bureau een reeks metingen terwijl zowel de aarde als het ruimtevaartuig in de loop van de tijd door de ruimte bewegen om de richting en positie van het ruimtevaartuig vast te leggen.
Om een ruimtevaartuig te laten weten waar het zich bevindt, moet het een signaal van het Deep Space Network ontvangen, de tijd berekenen die nodig is om het signaal te ontvangen en de lichtsnelheid gebruiken om een afstand te bepalen. 'Om dit heel precies te doen, moet je moeten die tijden - de door signaal gezonden en door signaal ontvangen tijden - zo nauwkeurig mogelijk kunnen meten. En als we deze signalen vanuit ons Deep Space Network verzenden, hebben we atoomklokken die heel nauwkeurig zijn en accuraat ', zei Seubert. 'Tot nu toe zijn de klokken die we hebben die klein genoeg zijn en een laag vermogen hebben om op een ruimtevaartuig te vliegen, ultrastabiele oscillatoren genoemd, wat een volkomen verkeerde benaming is. Ze zijn niet ultrastabiel. Ze registreren dat signaal- ontvangen tijd, maar het is zeer laag nauwkeurig. "
Omdat de locatiegegevens aan boord van het ruimtevaartuig zo onbetrouwbaar zijn, is het veel ingewikkelder om uit te zoeken hoe te navigeren - bijvoorbeeld om een boegschroef aan te zetten of van koers te veranderen - en dat moet op aarde worden gedaan. Met andere woorden, mensen op aarde rijden het ruimtevaartuig van honderdduizenden of miljoenen mijlen ver.
"Maar als je die ontvangen tijd aan boord heel nauwkeurig zou kunnen registreren met een atoomklok, heb je nu de mogelijkheid om al die volggegevens aan boord te verzamelen en je computer en je radio zo te ontwerpen dat het ruimtevaartuig zichzelf kan besturen," ze zei.
NASA en andere ruimtevaartorganisaties hebben eerder atoomklokken in de ruimte geplaatst. Onze hele GPS-satellietvloot heeft atoomklokken. Maar voor het grootste deel zijn ze te onnauwkeurig en onpraktisch voor langdurig werk, zei Seubert. De omgeving in de ruimte is veel ruwer dan een onderzoekslaboratorium op aarde. Temperaturen veranderen als de klokken in en uit het zonlicht gaan. Stralingsniveaus gaan op en neer.
"Het is een bekend probleem van ruimtevluchten en we sturen meestal stralingsbestendige onderdelen op waarvan we hebben aangetoond dat ze in verschillende stralingsomgevingen kunnen werken met vergelijkbare prestaties," zei ze.
Maar de straling verandert nog steeds de manier waarop de elektronica werkt. En die veranderingen zijn van invloed op de gevoelige apparatuur die atoomklokken gebruiken om de tijdsverloop te meten, en dreigen onnauwkeurigheden te introduceren. Meerdere keren per dag, zo merkte Seubert op, uploadt de luchtmacht correcties naar de klokken van de GPS-satellieten om te voorkomen dat ze niet synchroon lopen met klokken op de grond.
Het doel van de DSAC, zei ze, is om een systeem op te zetten dat niet alleen draagbaar en eenvoudig genoeg is om op elk ruimtevaartuig te worden geïnstalleerd, maar ook sterk genoeg is om op lange termijn in de ruimte te werken zonder constante aanpassingen van teams op aarde nodig te hebben.
Naast het mogelijk maken van een nauwkeurigere navigatie in de verre ruimte met behulp van aardse signalen, zou een dergelijke klok astronauten op verre buitenposten op een dag kunnen laten rondlopen, net zoals we doen met onze kaartapparatuur op aarde, zei Seubert. Een kleine vloot van satellieten uitgerust met DSAC-apparaten zou om de maan of Mars kunnen draaien, in plaats van aardse GPS-systemen, en dit netwerk zou niet meerdere keren per dag moeten worden gecorrigeerd.
Onderweg, zei ze, zouden DSAC's of soortgelijke apparaten een rol kunnen spelen in pulsar-navigatiesystemen, die de timing zouden volgen van zaken als het pulseren van licht van andere sterrenstelsels, zodat ruimtevaartuigen kunnen navigeren zonder enige input van de aarde.
Voor het volgende jaar is het doel echter om deze eerste DSAC goed te laten werken terwijl deze dicht bij de aarde draait.
"Wat we moeten doen, is in wezen leren hoe we de klok kunnen afstemmen om goed te werken in die omgeving," zei Seubert.
De lessen die de DSAC-bemanning leert tijdens het afstemmen van het apparaat dit jaar, moeten hen voorbereiden om soortgelijke apparaten te gebruiken voor missies op langere afstand, voegde ze eraan toe.
