Nello spazio profondo, un cronometraggio accurato è fondamentale per la navigazione, ma molti veicoli spaziali non dispongono di orologi precisi a bordo. Per 20 anni, Il Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, ha perfezionato un orologio. Non è un orologio da polso; non qualcosa che potresti comprare in un negozio. È l'orologio atomico dello spazio profondo (DSAC), uno strumento perfetto per l'esplorazione dello spazio profondo.

Attualmente, la maggior parte delle missioni si basa su antenne terrestri abbinate a orologi atomici per la navigazione. Le antenne di terra inviano segnali strettamente focalizzati ai veicoli spaziali, quale, a sua volta, restituire il segnale. La NASA usa la differenza di tempo tra l'invio di un segnale e la ricezione di una risposta per calcolare la posizione del veicolo spaziale, velocità e percorso.

Questo metodo, sebbene affidabile, potrebbe essere reso molto più efficiente. Per esempio, una stazione di terra deve attendere che l'astronave restituisca un segnale, quindi una stazione può tracciare solo un veicolo spaziale alla volta. Ciò richiede che i veicoli spaziali attendano i comandi di navigazione dalla Terra piuttosto che prendere tali decisioni a bordo e in tempo reale.

"La navigazione nello spazio profondo richiede la misurazione di grandi distanze utilizzando la nostra conoscenza di come i segnali radio si propagano nello spazio, " ha detto Todd Ely di JPL, Investigatore principale del DSAC. "La navigazione di routine richiede misurazioni della distanza accurate fino a un metro o superiori. Poiché i segnali radio viaggiano alla velocità della luce, ciò significa che dobbiamo misurare il loro tempo di volo con una precisione di pochi nanosecondi. Gli orologi atomici lo hanno fatto regolarmente sul terreno per decenni. Fare questo nello spazio è ciò che fa DSAC".

Il progetto DSAC mira a fornire un accurato cronometraggio a bordo per le future missioni della NASA. I veicoli spaziali che utilizzano questa nuova tecnologia non dovrebbero più fare affidamento sul monitoraggio bidirezionale. Una navicella spaziale potrebbe utilizzare un segnale inviato dalla Terra per calcolare la posizione senza restituire il segnale e attendere comandi da terra, un processo che può richiedere ore. I dati tempestivi sulla posizione e il controllo a bordo consentono operazioni più efficienti, manovre più precise e adattamenti a situazioni impreviste.

Questo cambiamento di paradigma consente ai veicoli spaziali di concentrarsi sugli obiettivi della missione piuttosto che regolare la loro posizione per puntare le antenne verso terra per chiudere un collegamento per il tracciamento bidirezionale.

Inoltre, questa innovazione consentirebbe alle stazioni di terra di tracciare più satelliti contemporaneamente vicino ad aree affollate come Marte. In determinati scenari, l'accuratezza di tali dati di tracciamento supererebbe i metodi tradizionali di un fattore cinque.

DSAC è un prototipo avanzato di un piccolo, orologio atomico a bassa massa basato sulla tecnologia della trappola agli ioni di mercurio. Gli orologi atomici delle stazioni di terra del Deep Space Network della NASA hanno le dimensioni di un piccolo frigorifero. DSAC ha le dimensioni di un tostapane a quattro fette, e potrebbe essere ulteriormente miniaturizzato per future missioni.

Il volo di prova DSAC porterà questa tecnologia dal laboratorio all'ambiente spaziale. Mentre in orbita, la missione DSAC utilizzerà i segnali di navigazione dal GPS degli Stati Uniti insieme a una conoscenza precisa delle orbite e degli orologi dei satelliti GPS per confermare le prestazioni del DSAC. La dimostrazione dovrebbe confermare che il DSAC è in grado di mantenere una precisione temporale migliore di due nanosecondi (.000000002 secondi) in un giorno, con l'obiettivo di raggiungere una precisione di 0,3 nanosecondi.

Una volta che il DSAC ha dimostrato il suo coraggio, missioni future possono utilizzare i suoi miglioramenti tecnologici. L'orologio promette una maggiore quantità di dati di tracciamento e una migliore qualità dei dati di tracciamento. L'accoppiamento del DSAC con la navigazione radio a bordo potrebbe garantire che le future missioni di esplorazione dispongano dei dati di navigazione necessari per attraversare il sistema solare.

Le tecnologie a bordo del DSAC potrebbero anche migliorare la stabilità dell'orologio GPS e, a sua volta, il servizio che GPS fornisce agli utenti di tutto il mondo. I risultati dei test a terra hanno mostrato che il DSAC è fino a 50 volte più stabile degli orologi atomici attualmente volati sul GPS. DSAC promette di essere l'orologio spaziale di navigazione più stabile mai volato.

"Abbiamo obiettivi ambiziosi per migliorare la navigazione nello spazio profondo e la scienza utilizzando DSAC, " ha detto Ely. "Potrebbe avere un impatto reale e immediato per tutti qui sulla Terra se viene utilizzato per garantire la disponibilità e le prestazioni continue del sistema GPS".