I veicoli spaziali che si avventurano oltre la nostra Luna si affidano alla comunicazione con le stazioni di terra sulla Terra per capire dove si trovano e dove stanno andando. L'orologio atomico dello spazio profondo della NASA sta lavorando per dare a quegli esploratori più lontani una maggiore autonomia durante la navigazione. In un nuovo articolo pubblicato oggi sulla rivista Natura , la missione riporta i progressi nel loro lavoro per migliorare la capacità degli orologi atomici spaziali di misurare il tempo in modo coerente su lunghi periodi.

Conosciuto come stabilità, questa funzione influisce anche sul funzionamento dei satelliti GPS che aiutano le persone a navigare sulla Terra, quindi questo lavoro ha anche il potenziale per aumentare l'autonomia dei veicoli spaziali GPS di prossima generazione.

Per calcolare la traiettoria di un'astronave lontana, gli ingegneri inviano segnali dalla navicella spaziale alla Terra e viceversa. Usano orologi atomici delle dimensioni di un frigorifero a terra per registrare i tempi di quei segnali, che è essenziale per misurare con precisione la posizione del veicolo spaziale. Ma per i robot su Marte o destinazioni più lontane, aspettare che i segnali facciano il viaggio può aggiungere rapidamente fino a decine di minuti o addirittura ore.

Se quelle astronavi trasportassero orologi atomici, potevano calcolare la propria posizione e direzione, ma gli orologi dovrebbero essere altamente stabili. I satelliti GPS trasportano orologi atomici per aiutarci a raggiungere le nostre destinazioni sulla Terra, ma quegli orologi richiedono aggiornamenti più volte al giorno per mantenere il necessario livello di stabilità. Le missioni nello spazio profondo richiederebbero orologi spaziali più stabili.

Gestito dal Jet Propulsion Laboratory della NASA nel sud della California, il Deep Space Atomic Clock opera a bordo della navicella spaziale Orbital Test Bed di General Atomic da giugno 2019. Il nuovo studio riporta che il team della missione ha stabilito un nuovo record per la stabilità dell'orologio atomico a lungo termine nello spazio, raggiungendo più di 10 volte la stabilità degli attuali orologi atomici spaziali, compresi quelli sui satelliti GPS.

Quando ogni nanosecondo conta

Tutti gli orologi atomici hanno un certo grado di instabilità che porta a un offset nell'ora dell'orologio rispetto all'ora reale. Se non corretto, l'offset, mentre minuscolo, aumenta rapidamente, e con la navigazione spaziale, anche un piccolo offset potrebbe avere effetti drastici.

Uno degli obiettivi chiave della missione Deep Space Atomic Clock era misurare la stabilità dell'orologio su periodi sempre più lunghi, per vedere come cambia nel tempo. Nel nuovo giornale, il team riporta un livello di stabilità che porta a una deviazione temporale inferiore a quattro nanosecondi dopo più di 20 giorni di funzionamento.

"Come regola generale, un'incertezza di un nanosecondo nel tempo corrisponde a un'incertezza sulla distanza di circa un piede, "ha detto Eric Burt, un fisico dell'orologio atomico per la missione al JPL e coautore del nuovo articolo. "Alcuni orologi GPS devono essere aggiornati più volte al giorno per mantenere questo livello di stabilità, e ciò significa che il GPS dipende fortemente dalla comunicazione con il suolo. L'orologio atomico dello spazio profondo lo spinge a una settimana o più, quindi potenzialmente dando a un'applicazione come il GPS molta più autonomia."

La stabilità e il successivo ritardo temporale riportati nel nuovo documento sono circa cinque volte migliori di quanto riportato dal team nella primavera del 2020. Ciò non rappresenta un miglioramento dell'orologio stesso, ma nella misurazione della stabilità dell'orologio da parte della squadra. Periodi operativi più lunghi e quasi un anno intero di dati aggiuntivi hanno permesso di migliorare la precisione della loro misurazione.

La missione Deep Space Atomic Clock si concluderà ad agosto, ma la NASA ha annunciato che il lavoro su questa tecnologia continua:il Deep Space Atomic Clock-2, una versione migliorata del cronometrista all'avanguardia, volerà sul VERITAS (abbreviazione di Venus Emissivity, Scienza della radio, In SAR, Topografia, e spettroscopia) missione su Venere. Come il suo predecessore, il nuovo orologio spaziale è una dimostrazione di tecnologia, il che significa che il suo obiettivo è quello di far progredire le capacità nello spazio sviluppando strumenti, hardware, Software, o simili che al momento non esistono. Costruito da JPL e finanziato dalla Space Technology Mission Directorate (STMD) della NASA, il segnale di clock ultra preciso generato con questa tecnologia potrebbe aiutare a consentire la navigazione autonoma dei veicoli spaziali e migliorare le osservazioni radioscientifiche nelle missioni future.

"La selezione della NASA di Deep Space Atomic Clock-2 su VERITAS conferma la promessa di questa tecnologia, " ha detto Todd Ely, Investigatore principale di Deep Space Atomic Clock e project manager presso JPL. "Su VERITAS, miriamo a mettere alla prova questo orologio spaziale di prossima generazione e dimostrare il suo potenziale per la navigazione e la scienza nello spazio profondo".