Da più di due anni, Il Deep Space Atomic Clock della NASA ha spinto le frontiere del cronometraggio nello spazio. Il 18 settembre, 2021, la sua missione si è conclusa con successo.

Lo strumento è ospitato sulla navicella spaziale Orbital Test Bed di General Atomics che è stata lanciata a bordo della missione del Department of Defense Space Test Program 2 il 25 giugno 2019. Il suo obiettivo:testare la fattibilità dell'utilizzo di un orologio atomico a bordo per migliorare la navigazione dei veicoli spaziali nello spazio profondo.

Attualmente, i veicoli spaziali si basano su orologi atomici terrestri. Per misurare la traiettoria di un veicolo spaziale mentre viaggia oltre la Luna, i navigatori utilizzano questi cronometri per monitorare con precisione quando tali segnali vengono inviati e ricevuti. Perché i navigatori sanno che i segnali radio viaggiano alla velocità della luce (circa 186, 000 miglia al secondo, o 300, 000 chilometri al secondo), possono usare queste misurazioni del tempo per calcolare la distanza esatta del veicolo spaziale, velocità, e direzione di marcia.

Ma più un'astronave è lontana dalla Terra, più tempo è necessario per inviare e ricevere segnali, da alcuni minuti a poche ore, ritardando significativamente questi calcoli. Con un orologio atomico a bordo abbinato a un sistema di navigazione, la navicella potrebbe calcolare immediatamente dove si trova e dove sta andando.

Costruito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California, il Deep Space Atomic Clock è un orologio ultra preciso, orologio atomico agli ioni di mercurio racchiuso in una piccola scatola che misura circa 10 pollici (25 centimetri) su ciascun lato, all'incirca delle dimensioni di un tostapane. Progettato per sopravvivere ai rigori del lancio e al freddo, ambiente ad alta radiazione dello spazio senza che le sue prestazioni di cronometraggio diminuiscano, il Deep Space Atomic Clock era una dimostrazione tecnologica destinata a realizzare innovazioni tecnologiche e colmare le lacune di conoscenza critiche.

Dopo che lo strumento ha completato la sua missione primaria di un anno in orbita terrestre, La NASA ha esteso la missione per raccogliere più dati a causa della sua eccezionale stabilità di cronometraggio. Ma prima che la demo tecnica venisse spenta il 18 settembre, la missione ha fatto gli straordinari per estrarre quanti più dati possibile nei suoi ultimi giorni.

"La missione dell'orologio atomico nello spazio profondo è stata un successo clamoroso, e la gemma della storia qui è che la dimostrazione tecnologica ha funzionato ben oltre il periodo operativo previsto, " ha detto Todd Ely, investigatore principale e project manager presso JPL.

I dati dello strumento pionieristico aiuteranno a sviluppare Deep Space Atomic Clock-2, una demo tecnologica che viaggerà su Venere a bordo della Venus Emissivity della NASA, Scienza della radio, In SAR, Veicolo spaziale Topography &Spectroscopy (VERITAS) al momento del lancio entro il 2028. Questo sarà il primo test per un orologio atomico nello spazio profondo e un progresso monumentale per una maggiore autonomia del veicolo spaziale.

La stabilità è tutto

Mentre gli orologi atomici sono i cronometristi più stabili del pianeta, hanno ancora instabilità che possono causare un minuscolo ritardo, o "compensato, " nell'ora degli orologi rispetto all'ora reale. Non corretto, questi offset si sommano e possono portare a grandi errori di posizionamento. Frazioni di secondo potrebbero significare la differenza tra arrivare in sicurezza su Marte o perdere del tutto il pianeta.

Gli aggiornamenti possono essere trasmessi dalla Terra alla navicella spaziale per correggere questi offset. Satelliti del sistema di posizionamento globale (GPS), Per esempio, portare orologi atomici per aiutarci ad andare dal punto A al punto B. Per assicurarci che mantengano l'ora con precisione, gli aggiornamenti devono essere trasmessi frequentemente loro da terra. Ma dover inviare frequenti aggiornamenti dalla Terra a un orologio atomico nello spazio profondo non sarebbe pratico e vanificherebbe lo scopo di dotarne uno di una navicella spaziale.

Questo è il motivo per cui un orologio atomico su un veicolo spaziale che esplora lo spazio profondo dovrebbe essere il più stabile possibile fin dall'inizio, permettendogli di essere meno dipendente dalla Terra per essere aggiornato.

"L'orologio atomico dello spazio profondo è riuscito in questo obiettivo, ", ha affermato Eric Burt di JPL, un fisico dell'orologio atomico per la missione. "Abbiamo raggiunto un nuovo record per la stabilità dell'orologio atomico a lungo termine nello spazio, più di un ordine di grandezza migliore degli orologi atomici GPS. Ciò significa che ora abbiamo la stabilità per consentire una maggiore autonomia nelle missioni nello spazio profondo e potenzialmente rendere il GPS satelliti meno dipendenti dagli aggiornamenti due volte al giorno se trasportavano il nostro strumento".

In un recente studio, il team di Deep Space Atomic Clock ha riportato una deviazione inferiore a quattro nanosecondi dopo più di 20 giorni di funzionamento.

Come il suo predecessore, il Deep Space Atomic Clock-2 sarà una demo tecnica, il che significa che VERITAS non dipenderà da esso per raggiungere i suoi obiettivi. Ma questa prossima iterazione sarà più piccola, usa meno energia, ed essere progettato per supportare una missione pluriennale come VERITAS.

"È un risultato notevole del team:la dimostrazione tecnologica ha dimostrato di essere un sistema robusto in orbita, e ora non vediamo l'ora di vedere una versione migliorata andare su Venere, " disse Trudy Kortes, direttore delle dimostrazioni tecnologiche per la direzione della missione scientifica e tecnologica della NASA (STMD) presso la sede della NASA a Washington. "Questo è ciò che fa la NASA:sviluppiamo nuove tecnologie e miglioriamo quelle esistenti per far progredire il volo spaziale umano e robotico. L'orologio atomico dello spazio profondo ha davvero il potenziale per trasformare il modo in cui esploriamo lo spazio profondo".

Jason Mitchell, il direttore della Advanced Communications &Navigation Technology Division dello Space Communications and Navigation (SCaN) della NASA presso la sede dell'agenzia ha concordato:"Le prestazioni dello strumento sono state davvero eccezionali e una testimonianza delle capacità del team. Andando avanti, non solo l'orologio atomico dello spazio profondo consentirà significativi, nuove capacità operative per le missioni di esplorazione umana e robotica della NASA, può anche consentire un'esplorazione più profonda della fisica fondamentale della relatività, proprio come hanno fatto gli orologi che supportano il GPS."