Atomové hodiny NASA Deep Space Atomic Clock fungují na palubě satelitu General Atomics Orbital Test Bed od června 2019. Tento obrázek ukazuje kosmickou loď na oběžné dráze Země. Zápočet: General Atomics Electromagnetic Systems
Demonstrace technologie, navržená pro zlepšení navigace pro robotické průzkumníky a provoz satelitů GPS, hlásí významný milník.
Kosmické lodě, které se vydávají za náš Měsíc, spoléhají na komunikaci s pozemními stanicemi na Zemi, aby zjistily, kde jsou a kam jdou. Atomové hodiny NASA Deep Space Atomic Clock pracují na tom, aby těmto vzdáleným průzkumníkům poskytly větší autonomii při navigaci. V novém článku publikovaném 30. června 2021 v časopise Přírodamise hlásí pokrok ve své práci na zlepšení schopnosti vesmírných atomových hodin měřit čas konzistentně po dlouhá období.
Tato funkce, známá jako stabilita, také ovlivňuje provoz satelitů GPS, které pomáhají lidem s navigací na Zemi, takže tato práce má také potenciál zvýšit autonomii kosmických lodí GPS nové generace.
Související: Co jsou atomové hodiny?
Pro výpočet trajektorie vzdálené kosmické lodi inženýři posílají signály z kosmické lodi na Zemi a zpět. Používají atomové hodiny velikosti ledničky na zemi k zaznamenání načasování těchto signálů, což je nezbytné pro přesné měření polohy kosmické lodi. Ale u robotů na Marsu nebo ve vzdálenějších destinacích může čekání na signály k uskutečnění cesty rychle přidat až desítky minut nebo dokonce hodiny.
Pokud by tyto kosmické lodě nesly atomové hodiny, mohly by vypočítat svou vlastní polohu a směr, ale hodiny by musely být vysoce stabilní. Satelity GPS nesou atomové hodiny, které nám pomáhají dostat se do našich cílů na Zemi, ale tyto hodiny vyžadují aktualizaci několikrát denně, aby byla zachována potřebná úroveň stability. Mise do hlubokého vesmíru by vyžadovaly stabilnější vesmírné hodiny.
Letmý pohled na atomové hodiny hlubokého vesmíru ve střední zátoce kosmické lodi General Atomics Electromagnetic Systems Orbital Test Bed. Kredit: NASA
Atomové hodiny Deep Space Atomic Clock, řízené laboratoří Jet Propulsion Laboratory NASA v jižní Kalifornii, fungují na palubě kosmické lodi General Atomic Orbital Test Bed od června 2019. Nová studie uvádí, že tým mise vytvořil nový rekord pro dlouhodobou stabilitu atomových hodin v vesmír, dosahující více než desetinásobku stability současných vesmírných atomových hodin, včetně těch na satelitech GPS.
Když se počítá každá nanosekunda
Všechny atomové hodiny mají určitý stupeň nestability, který vede k posunu času hodin oproti skutečnému času. Pokud se neopraví, posun, i když nepatrný, rychle narůstá a při navigaci kosmické lodi by i nepatrný posun mohl mít drastické účinky.
Jedním z klíčových cílů mise Deep Space Atomic Clock bylo měřit stabilitu hodin po delší a delší období, abychom viděli, jak se mění s časem. V novém dokumentu tým uvádí úroveň stability, která vede k časové odchylce menší než čtyři nanosekundy po více než 20 dnech provozu.
"Obecně platí, že nejistota jedné nanosekundy v čase odpovídá nejistotě vzdálenosti přibližně jedné stopy," řekl Eric Burt, fyzik atomových hodin pro misi v JPL a spoluautor nového článku. „Některé hodiny GPS se musí aktualizovat několikrát denně, aby byla zachována tato úroveň stability, a to znamená, že GPS je vysoce závislá na komunikaci se zemí. Deep Space Atomic Clock to posouvá na týden nebo více, čímž potenciálně poskytuje aplikacím, jako je GPS, mnohem větší autonomii.
Stabilita a následné časové zpoždění uváděné v novém článku je asi pětkrát lepší, než to, co tým uvedl na jaře 2020. Nepředstavuje to zlepšení samotných hodin, ale týmové měření stability hodin. Delší provozní doby a téměř celý rok dodatečných dat umožnily zlepšit přesnost jejich měření.
Atomové hodiny NASA Deep Space Atomic Clock by mohly způsobit revoluci v navigaci v hlubokém vesmíru. Jedním z klíčových požadavků pro demonstraci technologie byl kompaktní design. Kompletní hardwarový balíček je zobrazen zde a má pouze asi 10 palců (25 centimetrů) na každé straně. Poděkování: NASA/JPL-Caltech
Mise Deep Space Atomic Clock skončí v srpnu, ale NASA oznámila, že práce na této technologii pokračují: Deep Space Atomic Clock-2, vylepšená verze nejmodernější časomíry, poletí na VERITAS (zkratka pro Venus Emissivity, Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy) mise k Venuši. Stejně jako jejich předchůdce jsou nové vesmírné hodiny technologickou demonstrací, což znamená, že jejich cílem je posunout schopnosti ve vesmíru vývojem nástrojů, hardwaru, softwaru nebo podobně, které v současnosti neexistují. Mimořádně přesný hodinový signál generovaný touto technologií, vytvořený společností JPL a financovaný ředitelstvím vesmírných technologií NASA (STMD), by mohl pomoci umožnit autonomní navigaci vesmírných lodí a zlepšit pozorování rádiových věd na budoucích misích.
Počítačem podporovaný návrh, neboli CAD, kresba lineární iontové pasti hodin – „srdce“ fyzikálního balíčku atomových hodin z hlubokého vesmíru – je o něco menší než dvě role čtvrtí položené vedle sebe. Projekt DSAC jsou malé atomové hodiny s nízkou hmotností založené na technologii rtuťových iontů, které budou demonstrovány ve vesmíru a poskytují bezprecedentní stabilitu potřebnou pro navigaci v hlubokém vesmíru nové generace a rádiovou vědu. Poděkování: NASA/JPL
"Výběr Deep Space Atomic Clock-2 ze strany NASA na VERITAS svědčí o příslibu této technologie," řekl Todd Ely, hlavní řešitel Deep Space Atomic Clock a projektový manažer v JPL. „Na VERITAS se snažíme otestovat tyto vesmírné hodiny nové generace a ukázat jejich potenciál pro navigaci v hlubokém vesmíru a vědu.“
Odkaz: „Demonstrace atomových hodin v pasti ve vesmíru“ od EA Burta, JD Prestage, RL Tjoelkera, DG Enzera, D. Kuanga, DW Murphyho, DE Robisona, JM Seuberta, RT Wanga a TA Elyho, 30. června 2021, Příroda.
DOI: 10.1038/s41586-021-03571-7
Více o misi
Atomové hodiny Deep Space jsou umístěny na kosmické lodi poskytnuté společností General Atomics Electromagnetic Systems of Englewood, Colorado. Je sponzorován programem STMD Technology Demonstration Missions, který se nachází v Marshall Space Flight Center NASA v Huntsville, Alabama, a programem NASA Space Communications and Navigation (SCaN) v rámci ředitelství NASA Human Exploration and Operations Mission Directorate. JPL řídí projekt.
