La NASA ha attivato un nuovo orologio atomico spaziale super preciso, che l'agenzia spera un giorno di aiutare i veicoli spaziali a guidare se stessi nello spazio profondo senza fare affidamento sugli orologi Earthbound.
Si chiama Deep Space Atomic Clock (DSAC) e funziona misurando i comportamenti degli ioni mercurio intrappolati nella sua piccola cornice. È in orbita da giugno, ma è stato attivato per la prima volta con successo il 23 agosto. Non è affatto appariscente - solo una scatola grigia delle dimensioni di un tostapane a quattro fette e piena di fili, Jill Seubert, un ingegnere aerospaziale e uno dei leader del progetto alla NASA, ha detto a Live Science. Ma quella dimensione senza pretese è il punto: Suebert e i suoi colleghi stanno lavorando per progettare un orologio abbastanza piccolo da caricare su qualsiasi veicolo spaziale e abbastanza preciso da guidare manovre complicate nello spazio profondo senza alcun input dai suoi cugini delle dimensioni di un frigorifero sulla Terra.
Hai bisogno di un orologio preciso per orientarti nello spazio perché è grande e vuoto. Ci sono alcuni punti di riferimento in base ai quali giudicare la tua posizione o velocità, e la maggior parte sono troppo lontani per offrire informazioni precise. Quindi ogni decisione di accendere una nave o sparare ai suoi propulsori, disse Seubert, inizia con tre domande: dove sono? Quanto mi muovo velocemente? E in quale direzione?
Il modo migliore per rispondere a queste domande è guardare oggetti per i quali sono già note le risposte, come trasmettitori radio sulla Terra o satelliti GPS che seguono tracce orbitali conosciute attraverso lo spazio. Invia un segnale alla velocità della luce con il tempo preciso nel punto A e misura quanto tempo ci vuole per arrivare al punto B. Questo ti dice la distanza tra A e B. Invia altri due segnali da altre due posizioni, e avrai informazioni sufficienti per capire esattamente dove si trova il punto B nello spazio tridimensionale. (Ecco come funziona il software GPS sul tuo telefono: controllando costantemente le differenze minime nelle firme temporali trasmesse da diversi satelliti in orbita.)
Per navigare nello spazio, la NASA attualmente si affida a un sistema simile ma meno preciso, afferma Seubert. La maggior parte degli orologi atomici e delle apparecchiature di radiodiffusione si trovano sulla Terra e formano collettivamente quella che è nota come Deep Space Network. Quindi la NASA di solito non è in grado di calcolare la posizione e la velocità di un veicolo spaziale da tre fonti in una volta sola. Invece, l'agenzia utilizza una serie di misurazioni mentre sia la Terra che l'astronave si muovono nello spazio nel tempo per inchiodare la direzione e la posizione dell'astronave.
Perché un veicolo spaziale sappia dove si trova, deve ricevere un segnale dalla Deep Space Network, calcolare il tempo impiegato per l'arrivo del segnale e utilizzare la velocità della luce per determinare una distanza. "Per fare ciò in modo molto preciso, tu dobbiamo essere in grado di misurare quei tempi - i segnali inviati e ricevuti - il più precisamente possibile. E sul campo, quando inviamo questi segnali dalla nostra Deep Space Network, abbiamo orologi atomici che sono molto precisi e preciso ", ha detto Seubert. "Fino ad ora, gli orologi che abbiamo avuto che sono abbastanza piccoli e abbastanza bassi da volare su un veicolo spaziale, sono chiamati oscillatori ultrastabili, che è un termine improprio. Non sono ultrastabili. Registrano quel segnale- ricevuto tempo, ma è molto bassa precisione. "
Poiché i dati sulla posizione a bordo del veicolo spaziale sono così inaffidabili, capire come navigare - quando attivare un thruster o cambiare rotta, ad esempio - è molto più complicato e deve essere fatto sulla Terra. In altre parole, le persone sulla Terra stanno guidando l'astronave da centinaia di migliaia o milioni di miglia di distanza.
"Ma se riuscissi a registrare quel tempo di segnale ricevuto a bordo in modo molto accurato con un orologio atomico, ora hai l'opportunità di raccogliere tutti quei dati di tracciamento a bordo e progettare il tuo computer e la tua radio in modo tale che il veicolo spaziale possa guidare da solo", lei disse.
La NASA e altre agenzie spaziali hanno messo in precedenza orologi atomici nello spazio. Tutta la nostra flotta satellitare GPS trasporta orologi atomici. Ma, per la maggior parte, sono troppo imprecisi e ingombranti per un lavoro a lungo termine, ha detto Seubert. L'ambiente nello spazio è molto più ruvido di un laboratorio di ricerca sulla Terra. Le temperature cambiano mentre gli orologi passano dentro e fuori dalla luce solare. I livelli di radiazione vanno su e giù.
"È un problema ben noto del volo spaziale e in genere inviamo parti indurite da radiazioni che abbiamo dimostrato di poter operare in diversi ambienti di radiazione con prestazioni simili", ha affermato.
Ma la radiazione cambia ancora il modo in cui l'elettronica funziona. E questi cambiamenti hanno un impatto sulle apparecchiature sensibili utilizzate dagli orologi atomici per misurare il tempo che scorre, minacciando di introdurre inesattezze. Più volte al giorno, ha sottolineato Seubert, l'Aeronautica carica correzioni agli orologi dei satelliti GPS per impedire che si spostino fuori sincrono con gli orologi a terra.
L'obiettivo del DSAC, ha affermato, è quello di stabilire un sistema non solo portatile e abbastanza semplice da essere installato su qualsiasi veicolo spaziale, ma anche abbastanza resistente da operare nello spazio a lungo termine senza richiedere costanti adattamenti da parte dei team terrestri.
Oltre a consentire una navigazione nello spazio profondo più precisa utilizzando segnali terrestri, un tale orologio un giorno potrebbe consentire agli astronauti su avamposti lontani di spostarsi proprio come facciamo con i nostri dispositivi di mappatura sulla Terra, ha detto Seubert. Una piccola flotta di satelliti equipaggiati con dispositivi DSAC potrebbe orbitare attorno alla Luna o su Marte, funzionando al posto dei sistemi GPS terrestri e questa rete non richiederebbe correzioni più volte al giorno.
Lungo la strada, ha detto, i DSAC o dispositivi simili potrebbero avere un ruolo nei sistemi di navigazione pulsar, che potrebbero tracciare i tempi di cose come il pulsare della luce da altri sistemi stellari per consentire ai veicoli spaziali di navigare senza alcun input dalla Terra.
Per il prossimo anno, tuttavia, l'obiettivo è far funzionare correttamente questo primo DSAC mentre orbita vicino alla Terra.
"Quello che dobbiamo fare è essenzialmente imparare a mettere a punto l'orologio per funzionare correttamente in quell'ambiente", ha detto Seubert.
Le lezioni che l'equipaggio del DSAC apprende durante la messa a punto del dispositivo quest'anno dovrebbero prepararli a utilizzare dispositivi simili nelle missioni a lungo raggio lungo la strada, ha aggiunto.
