Ukierunkowana na poprawę nawigacji statków kosmicznych, demonstracja technologii działała znacznie dłużej niż planowano i pobiła rekord stabilności zegarów atomowych w kosmosie.

Od ponad dwóch lat zegar atomowy Deep Space NASA przesuwa granice pomiaru czasu w kosmosie. 18 września 2021 roku jego misja zakończyła się pomyślnie.

Instrument znajduje się na statku kosmicznym General Atomics' Orbital Test Bed, który został wystrzelony na pokładzie misji Departamentu Obrony Space Test Program 2 25 czerwca 2019 r. Jego cel: przetestowanie możliwości wykorzystania pokładowego zegara atomowego do poprawy nawigacji statku kosmicznego w kosmosie .

Obecnie sonda polega na naziemnych zegarach atomowych.  Aby zmierzyć trajektorię statku kosmicznego podczas podróży poza Księżyc, nawigatorzy używają tych chronometrów do precyzyjnego śledzenia, kiedy te sygnały są wysyłane i odbierane. Ponieważ nawigatorzy wiedzą, że sygnały radiowe poruszają się z prędkością światła (około 186 000 mil na sekundę lub 300 000 kilometrów na sekundę), mogą wykorzystać te pomiary czasu do obliczenia dokładnej odległości, prędkości i kierunku podróży statku kosmicznego. 

Jednak im dalej statek kosmiczny znajduje się od Ziemi, tym dłużej trwa wysyłanie i odbieranie sygnałów – od kilku minut do kilku godzin – co znacznie opóźnia te obliczenia. Dzięki pokładowemu zegarowi atomowemu sparowanemu z systemem nawigacyjnym statek kosmiczny może natychmiast obliczyć, gdzie się znajduje i dokąd zmierza.

Zbudowany przez NASA Jet Propulsion Laboratory w południowej Kalifornii, Deep Space Atomic Clock to ultraprecyzyjny zegar atomowy z jonami rtęci zamknięty w małym pudełku, które mierzy około 10 cali (25 centymetrów) z każdej strony – mniej więcej wielkości tostera. Zaprojektowany, aby przetrwać rygory startu i zimne, wysoko napromieniowane środowisko kosmosu bez pogarszania wydajności pomiaru czasu, zegar atomowy Deep Space był demonstracją technologii mającą na celu wprowadzenie nowinek technologicznych i wypełnienie krytycznych luk w wiedzy.

Po tym, jak instrument zakończył swoją roczną misję na orbicie okołoziemskiej, NASA przedłużyła misję, aby zebrać więcej danych ze względu na jego wyjątkową stabilność czasową. Ale zanim "Deep Space Atomic Clock" został wyłączony 18 września , misja pracowała w godzinach nadliczbowych, aby wydobyć jak najwięcej danych w ostatnich dniach.

„Misja Deep Space Atomic Clock była ogromnym sukcesem, a klejnotem tej historii jest to, że demonstracja technologii działała znacznie po zamierzonym okresie operacyjnym” – powiedział Todd Ely, główny badacz i kierownik projektu w JPL.

Dane z pionierskiego instrumentu pomogą w opracowaniu Deep Space Atomic Clock-2, demonstracji technicznej, która poleci na Wenus na pokładzie sondy NASA Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography & Spectroscopy ( VERITAS ), która wystartuje do 2028 roku. Pierwszy test zegara atomowego w kosmosie i monumentalny postęp w zakresie zwiększonej autonomii statków kosmicznych.

Stabilność jest wszystkim

Chociaż zegary atomowe są najbardziej stabilnymi chronometrami na świecie, nadal wykazują niestabilności, które mogą powodować niewielkie opóźnienie lub „przesunięcie” czasu zegarów w stosunku do czasu rzeczywistego. Pozostawione bez korekty, przesunięcia te będą się sumować i mogą prowadzić do dużych błędów w pozycjonowaniu. Ułamki sekundy mogą oznaczać różnicę między bezpiecznym dotarciem na Marsa a całkowitym ominięciem planety.

Aktualizacje mogą być przesyłane z Ziemi do statku kosmicznego, aby skorygować te przesunięcia. Satelity Globalnego Systemu Pozycjonowania (GPS) noszą na przykład zegary atomowe, które pomagają nam dotrzeć z punktu A do B. Aby mieć pewność, że czas jest dokładny, aktualizacje muszą być często przesyłane do nich z ziemi. Jednak konieczność wysyłania częstych aktualizacji z Ziemi do zegara atomowego w głębokim kosmosie nie byłaby praktyczna i byłaby sprzeczna z celem wyposażenia statku kosmicznego w taki zegar.

Dlatego zegar atomowy na statku kosmicznym badającym przestrzeń kosmiczną musiałby być od samego początku tak stabilny, jak to tylko możliwe, aby był mniej zależny od Ziemi w celu aktualizacji.

„Zegar atomowy głębokiego kosmosu osiągnął ten cel”, powiedział Eric Burt z JPL, fizyk zajmujący się zegarami atomowymi w misji. „Osiągnęliśmy nowy rekord długoterminowej stabilności zegara atomowego w kosmosie – o ponad rząd wielkości lepszy niż zegary atomowe GPS. Oznacza to, że mamy teraz stabilność pozwalającą na większą autonomię w misjach kosmicznych i potencjalnie sprawić, że satelity GPS będą mniej zależne od aktualizacji dwa razy dziennie, jeśli zastosują nasz instrument”.

W ostatnich badaniach zespół Deep Space Atomic Clock zgłosił odchylenie o mniej niż cztery nanosekundy po ponad 20 dniach działania.

Podobnie jak jego poprzednik, Deep Space Atomic Clock-2 będzie demonstracją techniczną, co oznacza, że ​​VERITAS nie będzie na nim polegał, aby spełnić swoje cele. Ale ta następna iteracja będzie mniejsza, bardziej energo oszczędna i zostanie zaprojektowana do obsługi wieloletniej misji, takiej jak VERITAS.

„To niezwykłe osiągnięcie zespołu – demonstracja technologii okazała się solidnym systemem na orbicie, a teraz nie możemy się doczekać, aż ulepszona wersja trafi na Wenus” – powiedziała Trudy Kortes, dyrektor ds. demonstracji technologii w NASA Science i Technology Mission Directorate (STMD) w siedzibie NASA w Waszyngtonie. „To właśnie robi NASA – rozwijamy nowe technologie i ulepszamy istniejące, aby rozwijać loty kosmiczne ludzi i robotów. Zegar atomowy Deep Space naprawdę ma potencjał, aby zmienić sposób, w jaki badamy przestrzeń kosmiczną”.

Jason Mitchell, dyrektor działu Advanced Communications & Navigation Technology Division w NASA Space Communications and Navigation (SCaN) w siedzibie agencji, zgodził się: „Działanie instrumentu było naprawdę wyjątkowe i świadczyło o możliwościach zespołu. Idąc dalej, zegar atomowy głębokiego kosmosu nie tylko umożliwi znaczące, nowe możliwości operacyjne dla ludzkich i robotycznych misji eksploracyjnych NASA, ale może również umożliwić głębszą eksplorację fundamentalnej fizyki względności, podobnie jak zrobiły to zegary obsługujące GPS.

Więcej o misji:

Zegar atomowy Deep Space znajduje się na statku kosmicznym dostarczonym przez General Atomics Electromagnetic Systems z Englewood w stanie Kolorado. Jest sponsorowany przez STMD Projektem zarządza JPL.

/////

 {convertforms 1}