Per la prima volta, un orologio ottico ha viaggiato nello spazio, sopravvivendo a dure condizioni di lancio di razzi e operando con successo sotto la microgravità che verrebbe sperimentata su un satellite. Questa dimostrazione avvicina molto la tecnologia dell'orologio ottico all'implementazione nello spazio, dove potrebbe eventualmente consentire la navigazione basata su GPS con una precisione di posizione a livello di centimetro.

Nella rivista The Optical Society per la ricerca ad alto impatto, ottica , i ricercatori riferiscono su un nuovo patto, sistema laser a pettine di frequenza robusto e automatizzato che è stato fondamentale per il funzionamento dell'orologio ottico spaziale. I pettini di frequenza sono gli "ingranaggi" necessari per far funzionare gli orologi che ticchettano alle frequenze ottiche.

"Il nostro dispositivo rappresenta una pietra miliare nello sviluppo di futuri orologi di precisione spaziali e metrologia, " ha affermato Matthias Lezius di Menlo Systems GmbH, primo autore del saggio. "L'orologio ottico si comportava nello spazio come aveva fatto a terra, dimostrando che la nostra ingegneria del sistema ha funzionato molto bene."

Utilizzo del tempo per la posizione

I telefoni e altri dispositivi abilitati per il GPS individuano la tua posizione sulla Terra contattando almeno quattro satelliti con orologi atomici. Ciascuno di questi satelliti fornisce un timestamp, e il sistema calcola la tua posizione in base alle differenze relative tra quei tempi. Gli orologi atomici utilizzati sui satelliti odierni si basano sull'oscillazione naturale dell'atomo di cesio, una frequenza nella regione delle microonde dello spettro elettromagnetico.

Gli orologi ottici utilizzano atomi o ioni che oscillano di circa 100, 000 volte superiori alle frequenze delle microonde, nell'ottica, o visibile, parte dello spettro elettromagnetico. Le frequenze più alte significano che gli orologi ottici "ticchettano" più velocemente degli orologi atomici a microonde e potrebbero quindi fornire timestamp che vanno da 100 a 1, 000 volte più preciso, migliorando notevolmente la precisione del GPS.

I pettini di frequenza sono un componente importante degli orologi ottici perché agiscono come ingranaggi, dividendo le oscillazioni più veloci degli orologi ottici in frequenze più basse da contare e collegare a un orologio atomico di riferimento a microonde. In altre parole, i pettini di frequenza consentono di misurare con precisione le oscillazioni ottiche e di utilizzarle per rilevare l'ora.

Fino a poco tempo fa, i pettini di frequenza sono stati molto grandi, allestimenti complessi che si trovano solo nei laboratori. Lezius e il suo team di Menlo Systems, una società spin-off del premio Nobel T.W. Il gruppo di Hänsch al Max Plank Institute for Quantum Optics, ha sviluppato un pettine di frequenza ottica completamente automatizzato che misura solo 22 per 14,2 centimetri e pesa 22 chilogrammi.

Il nuovo pettine di frequenza è basato su fibre ottiche, rendendolo abbastanza robusto da viaggiare attraverso le forze di accelerazione estreme e i cambiamenti di temperatura sperimentati quando si lascia la Terra. Il suo consumo energetico è inferiore a 70 watt, ben all'interno dei requisiti per i dispositivi basati su satellite.

In viaggio nello spazio

I ricercatori hanno combinato il loro nuovo pettine di frequenza con un orologio atomico al cesio come riferimento e un orologio ottico al rubidio sviluppato da gruppi di ricerca del Ferdinand Braun Institute di Berlino e della Humbold University di Berlino, nonché da un gruppo dell'Università di Amburgo che si è recentemente trasferito all'Università di Mainz. Airbus Defense &Space GmbH è stata coinvolta nella costruzione, interfaccia, e l'integrazione del modulo di carico utile che è andato nello spazio e ha anche fornito supporto e attrezzature durante il volo.

Ad aprile 2015, l'intero sistema è stato pilotato su un razzo di ricerca per un volo parabolico di 6 minuti nello spazio come parte del programma TEXUS che viene lanciato dall'Esrange Space Center in Svezia. Una volta raggiunta la microgravità, il sistema ha avviato le misurazioni automaticamente ed è stato controllato dalla stazione di terra tramite un collegamento radio a bassa larghezza di banda.

"L'esperimento ha dimostrato la funzionalità del pettine come divisore di frequenza comparativo tra la transizione ottica al rubidio a 384 THz e l'orologio al cesio che fornisce un riferimento a 10 MHz, " disse Lezio.

Sebbene l'orologio ottico utilizzato nella dimostrazione avesse circa un decimo della precisione degli orologi atomici utilizzati oggi sui satelliti GPS, i ricercatori stanno già lavorando a una nuova versione che migliorerà la precisione di diversi ordini di grandezza.

Rilevamento globale dallo spazio

Le misurazioni altamente accurate rese possibili con i pettini di frequenza potrebbero essere utili per molte applicazioni. Per esempio, i pettini di frequenza basati sullo spazio potrebbero migliorare l'accuratezza del telerilevamento globale dei gas serra dai satelliti e potrebbero essere utilizzati per i rilevatori di onde gravitazionali spaziali.

"Le applicazioni basate sui pettini di frequenza sono piuttosto importanti per i futuri orologi ottici spaziali, metrologia di precisione e tecniche di osservazione della terra, " ha detto Lezius. "La prontezza della tecnologia spaziale dei pettini di frequenza si sta sviluppando a un ritmo veloce."

I ricercatori hanno in programma di far volare una versione migliorata dell'orologio ottico nello spazio alla fine del 2017. In quell'esperimento, il modulo pettine di frequenza non volerà sotto una cupola pressurizzata per testare come funziona nelle condizioni di vuoto che si verificherebbero su un satellite. I ricercatori cercano anche di migliorare ulteriormente la resistenza del sistema alle forti radiazioni cosmiche per garantire che possa funzionare per diversi anni in orbita.

Nel giro di pochi anni, Lezius e il suo team mirano ad avere un modulo pettine di frequenza qualificato per lo spazio che la comunità spaziale possa utilizzare in missioni e applicazioni future. Puntano a un dispositivo con un volume di circa 3 litri che pesa pochi chilogrammi e ha un consumo energetico di circa 10 watt.