NASA har slått på en ny, superpresis, rombasert atomklokke som byrået håper en dag vil hjelpe romfartøyene med å drive seg gjennom det dype rommet uten å stole på jordklokker.
Det kalles Deep Space Atomic Clock (DSAC), og det fungerer ved å måle atferden til kvikksølvioner fanget i den lille rammen. Den har vært i bane siden juni, men den ble først vellykket aktivert 23. august. Den er slett ikke prangende - bare en grå boks på størrelse med en brødrister med fire skiver og full av ledninger, Jill Seubert, en luftfartsingeniør og en av lederne for prosjektet på NASA, fortalte Live Science. Men den upretensiøse størrelsen er poenget: Suebert og hennes kolleger jobber med å konstruere en klokke som er liten nok til å laste på ethvert romfartøy og nøyaktig nok til å lede kompliserte manøvrer i det dype rom uten noen innspill fra sine kjøleskapstore kusiner på jorden.
Du trenger en presis klokke for å finne veien rundt i rommet fordi den er stor og tom. Det er få landemerker for å bedømme din posisjon eller hastighet, og de fleste er for langt unna til å tilby presis informasjon. Så enhver beslutning om å snu et skip eller skyte skyvepistolen, sa Seubert, begynner med tre spørsmål: Hvor er jeg? Hvor raskt beveger jeg meg? Og i hvilken retning?
Den beste måten å svare på disse spørsmålene er å se på objekter som svarene allerede er kjent for, for eksempel radiosendere på jorden, eller GPS-satellitter som følger kjente banespor gjennom verdensrommet. Send ut et signal i lyshastighet med den nøyaktige tiden på punkt A og måle hvor lang tid det tar å komme til punkt B. Det forteller deg avstanden mellom A og B. Send ytterligere to signaler fra to steder, så har du nok informasjon til å finne ut nøyaktig hvor punkt B er i tredimensjonalt rom. (Slik fungerer GPS-programvaren på telefonen din: ved å hele tiden sjekke minuttforskjellene i tidsunderskrifter som sendes av forskjellige kretsende satellitter.)
For å navigere i verdensrommet er NASA for tiden avhengig av et lignende, men mindre presist system, sa Seubert. De fleste av atomklokkene og kringkastingsutstyret er på jorden, og de danner samlet det som er kjent som Deep Space Network. Så NASA kan vanligvis ikke beregne et romskipets posisjon og hastighet fra tre kilder på en gang. I stedet bruker byrået en rekke målinger når både Jorden og romfartøyet beveger seg gjennom rommet over tid for å spikre romfartøyets retning og posisjon.
For at et romfartøy skal vite hvor det er, må det motta et signal fra Deep Space Network, beregne tiden det tok for signalet å komme fram og bruke lysets hastighet for å bestemme en avstand. "For å gjøre dette veldig presist, du trenger å være i stand til å måle disse tidene - de signal sendte og signal mottatte tidene - så presist som mulig. Og på bakken, når vi sender disse signalene fra Deep Space Network, har vi atomklokker som er veldig presise og nøyaktig, "sa Seubert. "Frem til nå er klokkene vi har hatt som er små nok og lite effektive nok til å fly på et romfartøy. De kalles ultrastable oscillatorer, som er en fullstendig feilnummer. De er ikke ultrastable. De registrerer signalet- mottatt tid, men det er veldig lav nøyaktighet. "
Fordi posisjonsdataene ombord på romskipet er så upålitelige, er det mye mer komplisert å finne ut hvordan du navigerer - når du skal skru på en thruster eller endre kurs, for eksempel - på jorden. Med andre ord kjører folk på jorden romskipet fra hundretusener eller millioner av kilometer unna.
"Men hvis du kunne registrere den signalmottatte tiden om bord veldig nøyaktig med en atomur, har du nå muligheten til å samle alle sporingsdataene ombord og designe datamaskinen og radioen din slik at romfartøyet kan drive seg selv," hun sa.
NASA og andre romfartsorganer har satt atomklokker i verdensrommet før. Hele GPS-satellittflåten vår har atomklokker. Men for det meste er de for unøyaktige og uhåndterlige for langtidsarbeid, sa Seubert. Miljøet i rommet er mye røffere enn et forskningslaboratorium på jorden. Temperaturene endres når klokkene passerer inn og ut av sollys. Strålingsnivåene går opp og ned.
"Det er et kjent problem med romfart, og vi sender typisk opp strålingsherdede deler som vi har vist at de kan operere i forskjellige strålingsmiljøer med lignende ytelser," sa hun.
Men strålingen endrer fortsatt hvordan elektronikken fungerer. Og disse endringene påvirker det følsomme utstyret atomklokker bruker for å måle tiden med å skli etter, og truer med å innføre unøyaktigheter. Flere ganger om dagen, påpekte Seubert, laster Luftforsvaret opp korreksjoner til GPS-satellittenes klokker for å forhindre at de driver ut av synk med klokker på bakken.
Målet med DSAC, sa hun, er å etablere et system som ikke bare er bærbart og enkelt nok til å installeres på ethvert romfartøy, men som også er hardføre nok til å operere i verdensrommet på lang sikt uten å kreve konstante justeringer fra jordbaserte team.
I tillegg til å tillate mer presis navigasjon i dyprommet ved hjelp av jordiske signaler, kan en slik klokke en dag la astronauter på fjerne utposter komme seg rundt akkurat som vi gjør med kartleggingsenhetene våre på jorden, sa Seubert. En liten flåte med satellitter utstyrt med DSAC-enheter kan omgå månen eller Mars og fungere i stedet for jordiske GPS-systemer, og dette nettverket vil ikke kreve korreksjoner flere ganger om dagen.
Nede i veien, sa hun, kan DSAC-er eller lignende enheter spille en rolle i pulsarnavigasjonssystemer, som ville spore tidspunktet for ting som pulserende lys fra andre stjernesystemer slik at romfartøyer kan navigere uten innspill fra Jorden.
For det neste året er målet imidlertid å få denne første DSAC til å fungere ordentlig når den går i bane rundt jorden.
"Det vi trenger å gjøre er egentlig å lære å stille inn klokken for å fungere ordentlig i det miljøet," sa Seubert.
Leksjonene DSAC-mannskapet lærer mens de stiller inn enheten i år, skulle forberede dem til å bruke lignende enheter på oppdrag med lengre avstand nedover veien, la hun til.
