NASAs deep space atomklokke fullfører oppdraget

I mer enn to år har NASAs Deep Space Atomic Clock presset grensene for tidtaking i verdensrommet. Den 18. september 2021 fikk oppdraget en vellykket slutt.

Instrumentet er vert for General Atomics’ Orbital Test Bed-romfartøy som ble skutt opp ombord Department of Defense Space Test Program 2-oppdrag 25. juni 2019. Målet er å teste muligheten for å bruke en ombord-atomklokke for å forbedre romfartøysnavigasjon i det dype rommet .

For tiden er romfartøy avhengige av bakkebaserte atomklokker. For å måle et romfartøys bane mens det beveger seg forbi månen, bruker navigatører disse tidtakerne til å nøyaktig spore når disse signalene sendes og mottas. Fordi navigatører vet at radiosignaler reiser med lysets hastighet (omtrent 186 000 miles per sekund, eller 300 000 kilometer per sekund), kan de bruke disse tidsmålingene til å beregne romfartøyets nøyaktige avstand, hastighet og reiseretning.

Men jo lenger et romfartøy er fra Jorden, jo lengre tid tar det å sende og motta signaler – fra flere minutter til noen timer – noe som forsinker disse beregningene betydelig. Med en innebygd atomklokke sammen med et navigasjonssystem, kunne romfartøyet umiddelbart beregne hvor det er og hvor det skal.

Bygget av NASAs Jet Propulsion Laboratory i Sør-California, er Deep Space Atomic Clock en ultra-presist, kvikksølv-ion atomklokke innkapslet i en liten boks som måler omtrent 10 tommer (25 centimeter) på hver side – omtrent på størrelse med en brødrister. . Deep Space Atomic Clock er designet for å overleve påkjenningene ved oppskyting og det kalde miljøet med høy stråling i verdensrommet uten at ytelsen for tidtaking forringes, og var en teknologidemonstrasjon beregnet på å gjennomføre teknologiske nyvinninger og fylle kritiske kunnskapshull.

Etter at instrumentet fullførte sitt ettårige primæroppdrag i jordens bane, utvidet NASA oppdraget til å samle inn mer data på grunn av dets eksepsjonelle tidsstabilitet. Men før den tekniske demoen ble slått av 18. september, jobbet oppdraget overtid for å trekke ut så mye data som mulig de siste dagene.

“Deep Space Atomic Clock-oppdraget var en rungende suksess, og historiens perle her er at teknologidemonstrasjonen opererte langt forbi den planlagte operasjonsperioden,” sa Todd Ely, hovedetterforsker og prosjektleder ved JPL.

Dataene fra det banebrytende instrumentet vil bidra til å utvikle Deep Space Atomic Clock-2, en teknologisk demo som vil reise til Venus ombord på NASAs Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography & Spectroscopy (VERITAS) romfartøy når det lanseres innen 2028. Dette vil være den første testen for en atomklokke i verdensrommet og et monumentalt fremskritt for økt romfartøyautonomi.

Stabilitet er alt

Mens atomklokker er de mest stabile tidtakerne på planeten, har de fortsatt ustabilitet som kan forårsake en minimal etterslep, eller “offset”, i klokkenes tid kontra den faktiske tiden. Ukorrigert vil disse forskyvningene legge seg opp og kan føre til store feil i posisjoneringen. Brøkdeler av et sekund kan bety forskjellen mellom å komme trygt til Mars eller å savne planeten helt.

Oppdateringer kan sendes fra jorden til romfartøyet for å korrigere for disse forskyvningene. Global Positioning System (GPS) satellitter, for eksempel, bærer atomklokker for å hjelpe oss å komme oss fra punkt A til B. For å sikre at de holder tiden nøyaktig, må oppdateringer sendes til dem ofte fra bakken. Men å måtte sende hyppige oppdateringer fra jorden til en atomklokke i det store rommet ville ikke vært praktisk og ville beseire hensikten med å utstyre et romfartøy med en.

Dette er grunnen til at en atomklokke på et romfartøy som utforsker verdensrommet må være så stabil som mulig fra starten, slik at den er mindre avhengig av at jorden skal oppdateres.

“Deep Space Atomic Clock lyktes med dette målet,” sa JPLs Eric Burt, en atomurfysiker for oppdraget. “Vi har oppnådd en ny rekord for langsiktig atomklokkestabilitet i verdensrommet – mer enn en størrelsesorden bedre enn GPS atomklokker. Dette betyr at vi nå har stabiliteten til å tillate mer autonomi i romfart og potensielt gjøre GPS-satellitter mindre avhengige av oppdateringer to ganger daglig hvis de bar instrumentet vårt.”

I en fersk studie rapporterte Deep Space Atomic Clock-teamet et avvik på mindre enn fire nanosekunder etter mer enn 20 dagers drift.

I likhet med forgjengeren vil Deep Space Atomic Clock-2 være en teknisk demo, noe som betyr at VERITAS ikke vil være avhengig av den for å oppfylle sine mål. Men denne neste iterasjonen vil være mindre, bruke mindre strøm og være designet for å støtte et flerårig oppdrag som VERITAS.

“Det er en bemerkelsesverdig prestasjon av teamet teknologi demonstrasjon har vist seg å være et robust system i bane, og vi ser nå frem til å se en forbedret versjon gå til Venus,” sa Trudy Kortes, direktør for teknologidemonstrasjoner for NASAs Science and Technology Mission Directorate (STMD) ved NASAs hovedkvarter i Washington. “Dette er hva NASA gjør – vi utvikler nye teknologier og forbedrer eksisterende for å fremme romfart mellom mennesker og roboter. Deep Space Atomic Clock har virkelig potensialet til å transformere hvordan vi utforsker dyp plass.”

Jason Mitchell, direktøren for Advanced Communications & Navigation Technology Division av NASAs Space Communications and Navigation (SCaN) ved byråets hovedkvarter var enig: “Instrumentets ytelse var virkelig eksepsjonell og et bevis på evnen til teamet. Fremover, ikke bare vil Deep Space Atomic Clock muliggjøre betydelige, nye operasjonelle muligheter for NASAs menneskelige og robotiske utforskningsoppdrag, kan den også muliggjøre dypere utforskning av den grunnleggende relativitetsfysikken, omtrent som klokkene som støtter GPS har gjort.”

---

---