L'horloge atomique de l'espace lointain de la NASA fonctionne à bord du satellite General Atomics Orbital Test Bed depuis juin 2019. Cette illustration montre le vaisseau spatial en orbite terrestre. Crédit : systèmes électromagnétiques de General Atomics
Conçue pour améliorer la navigation pour les explorateurs robotiques et le fonctionnement des satellites GPS, la démonstration technologique signale une étape importante.
Les engins spatiaux qui s'aventurent au-delà de notre Lune dépendent de la communication avec les stations au sol sur Terre pour savoir où ils se trouvent et où ils vont. L'horloge atomique de l'espace lointain de la NASA s'efforce de donner à ces explorateurs éloignés plus d'autonomie lors de la navigation. Dans un nouvel article publié le 30 juin 2021 dans la revue Nature, la mission fait état de progrès dans ses travaux visant à améliorer la capacité des horloges atomiques spatiales à mesurer le temps de manière cohérente sur de longues périodes.
Connue sous le nom de stabilité, cette fonctionnalité a également un impact sur le fonctionnement des satellites GPS qui aident les gens à naviguer sur Terre. Ce travail a donc également le potentiel d'augmenter l'autonomie des engins spatiaux GPS de nouvelle génération.
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Pour calculer la trajectoire d'un vaisseau spatial distant, les ingénieurs envoient des signaux du vaisseau spatial vers la Terre et retour. Ils utilisent des horloges atomiques de la taille d'un réfrigérateur au sol pour enregistrer la synchronisation de ces signaux, ce qui est essentiel pour mesurer avec précision la position du vaisseau spatial. Mais pour les robots sur Mars ou vers des destinations plus éloignées, attendre les signaux pour effectuer le voyage peut rapidement prendre des dizaines de minutes, voire des heures.
Si ces vaisseaux spatiaux transportaient des horloges atomiques, ils pourraient calculer leur propre position et direction, mais les horloges devraient être très stables. Les satellites GPS transportent des horloges atomiques pour nous aider à atteindre nos destinations sur Terre, mais ces horloges nécessitent des mises à jour plusieurs fois par jour pour maintenir le niveau de stabilité nécessaire. Les missions dans l'espace lointain nécessiteraient des horloges spatiales plus stables.
Un aperçu de l'horloge atomique de l'espace lointain dans la baie centrale du vaisseau spatial du banc d'essai orbital des systèmes électromagnétiques de General Atomics. Crédit : NASA
Gérée par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, l'horloge atomique de l'espace lointain fonctionne à bord du vaisseau spatial Orbital Test Bed de General Atomic depuis juin 2019. La nouvelle étude rapporte que l'équipe de mission a établi un nouveau record de stabilité à long terme de l'horloge atomique dans l'espace, atteignant plus de 10 fois la stabilité des horloges atomiques spatiales actuelles, y compris celles des satellites GPS.
Quand chaque nanoseconde compte
Toutes les horloges atomiques présentent un certain degré d'instabilité qui entraîne un décalage de l'heure de l'horloge par rapport à l'heure réelle. S'il n'est pas corrigé, le décalage, bien que minuscule, augmente rapidement, et avec la navigation des engins spatiaux, même un tout petit décalage pourrait avoir des effets drastiques.
L'un des principaux objectifs de la mission Deep Space Atomic Clock était de mesurer la stabilité de l'horloge sur des périodes de plus en plus longues, pour voir comment elle change avec le temps. Dans le nouvel article, l'équipe signale un niveau de stabilité qui conduit à un écart de temps inférieur à quatre nanosecondes après plus de 20 jours de fonctionnement.
"En règle générale, une incertitude d'une nanoseconde dans le temps correspond à une incertitude de distance d'environ un pied", a déclaré Eric Burt, physicien de l'horloge atomique pour la mission au JPL et co-auteur du nouvel article. « Certaines horloges GPS doivent être mises à jour plusieurs fois par jour pour maintenir ce niveau de stabilité, ce qui signifie que le GPS dépend fortement de la communication avec le sol. L'horloge atomique de l'espace lointain repousse cela à une semaine ou plus, donnant ainsi potentiellement à une application comme le GPS beaucoup plus d'autonomie.
La stabilité et le retard ultérieur rapportés dans le nouveau document sont environ cinq fois meilleurs que ce que l'équipe a rapporté au printemps 2020. Cela ne représente pas une amélioration de l'horloge elle-même, mais de la mesure de la stabilité de l'horloge par l'équipe. Des périodes de fonctionnement plus longues et presque une année complète de données supplémentaires ont permis d'améliorer la précision de leur mesure.
L'horloge atomique de l'espace lointain de la NASA pourrait révolutionner la navigation dans l'espace lointain. Une exigence clé pour la démonstration technologique était une conception compacte. L'ensemble de matériel complet est illustré ici et ne mesure qu'environ 10 pouces (25 centimètres) de chaque côté. Crédit : NASA/JPL-Caltech
La mission Deep Space Atomic Clock se terminera en août, mais la NASA a annoncé que les travaux sur cette technologie se poursuivent : la Deep Space Atomic Clock-2, une version améliorée du chronométreur de pointe, volera sur le VERITAS (abréviation de Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topographie et Spectroscopie) vers Vénus. Comme son prédécesseur, la nouvelle horloge spatiale est une démonstration technologique, ce qui signifie que son objectif est de faire progresser les capacités dans l'espace en développant des instruments, du matériel, des logiciels ou autres qui n'existent pas actuellement. Construit par le JPL et financé par la Direction des missions de technologie spatiale (STMD) de la NASA, le signal d'horloge ultra-précis généré avec cette technologie pourrait aider à permettre la navigation autonome des engins spatiaux et à améliorer les observations scientifiques radio sur les futures missions.
Un dessin assisté par ordinateur, ou CAO, du piège à ions linéaire de l'horloge – le « cœur » du package de physique de l'horloge atomique de l'espace lointain – est légèrement plus petit que deux rouleaux de quartiers placés côte à côte. Le projet DSAC est une petite horloge atomique de faible masse basée sur la technologie des pièges à ions mercure qui sera démontrée dans l'espace, offrant une stabilité sans précédent nécessaire à la navigation dans l'espace lointain et à la science radio de nouvelle génération. Crédit : NASA/JPL
« La sélection par la NASA de Deep Space Atomic Clock-2 sur VERITAS témoigne de la promesse de cette technologie », a déclaré Todd Ely, chercheur principal de Deep Space Atomic Clock et chef de projet au JPL. « Sur VERITAS, nous visons à mettre cette horloge spatiale de nouvelle génération à l'épreuve et à démontrer son potentiel pour la navigation et la science dans l'espace lointain. »
Référence : "Demonstration of a trapped-ion atomique clock in space" par EA Burt, JD Prestage, RL Tjoelker, DG Enzer, D. Kuang, DW Murphy, DE Robison, JM Seubert, RT Wang et TA Ely, 30 juin 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03571-7
En savoir plus sur la mission
L'horloge atomique de l'espace lointain est hébergée sur un vaisseau spatial fourni par General Atomics Electromagnetic Systems d'Englewood, Colorado. Il est parrainé par le programme de missions de démonstration technologique de STMD situé au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, et le programme de communications et de navigation spatiales (SCaN) de la NASA au sein de la direction des missions d'exploration et d'opérations humaines de la NASA. JPL gère le projet.
