NASA har tændt for et nyt, superpræcist, rumbaseret atomur, som agenturet håber, at en dag kan hjælpe rumfartøjer med at køre sig selv gennem det dybe rum uden at stole på jordbundne ure.
Det kaldes Deep Space Atomic Clock (DSAC), og det fungerer ved at måle opførsel af kviksølvioner, der er fanget i dens lille ramme. Det har været i kredsløb siden juni, men det blev først aktiveret med succes den 23. august. Det er slet ikke prangende - bare en grå kasse på størrelse med en brødrister med fire skiver og fuld af ledninger, Jill Seubert, en luftfartsingeniør og en af lederne af projektet på NASA, fortalte Live Science. Men den beskedne størrelse er pointen: Suebert og hendes kolleger arbejder på at konstruere et ur, der er lille nok til at indlæse på ethvert rumfartøj og præcist nok til at guide komplicerede manøvrer i det dybe rum uden noget input fra dets køleskabstore kusiner på Jorden.
Du har brug for et præcist ur for at finde dig rundt i rummet, fordi det er stort og tomt. Der er få vartegn, som du kan bedømme din position eller hastighed, og de fleste er for langt væk til at tilbyde præcise oplysninger. Så enhver beslutning om at dreje et skib eller skyde skyderne, sagde Seubert, begynder med tre spørgsmål: Hvor er jeg? Hvor hurtigt bevæger jeg mig? Og i hvilken retning?
Den bedste måde at besvare disse spørgsmål er at se på objekter, som svarene allerede er kendt for, som radiosendere på Jorden eller GPS-satellitter, der følger kendte orbitale spor gennem rummet. Send et signal i lyshastighed med det præcise tidspunkt på punkt A, og mål, hvor lang tid det tager at komme til punkt B. Det fortæller dig afstanden mellem A og B. Send yderligere to signaler fra to flere placeringer, så har du tilstrækkelig information til at finde ud af nøjagtigt, hvor punkt B befinder sig i tredimensionelt rum. (Sådan fungerer GPS-softwaren på din telefon: ved konstant at kontrollere minutforskellene i tidsunderskrifter, der udsendes af forskellige kredsløbssatellitter.)
For at navigere i rummet er NASA i øjeblikket afhængig af et lignende, men mindre præcist system, sagde Seubert. De fleste af atomurene og radioudstyret findes på Jorden, og de danner samlet det, der er kendt som Deep Space Network. Så NASA kan normalt ikke beregne et rumfartøjs position og hastighed fra tre kilder på én gang. I stedet bruger agenturet en række målinger, da både Jorden og rumfartøjet bevæger sig gennem rummet over tid for at sømme rumfartøjets retning og position.
For at et rumfartøj skal vide, hvor det er, skal det modtage et signal fra Deep Space Network, beregne den tid det tog for signalet at ankomme og bruge lysets hastighed til at bestemme en afstand. "For at gøre dette meget præcist, du har brug for at være i stand til at måle disse tider - de signal-sendte og signalmodtagede tider - så præcist som muligt. Og når vi sender disse signaler fra vores Deep Space Network, har vi atomur, der er meget præcise og nøjagtig, ”sagde Seubert. "Indtil nu er de ure, vi har haft, der er små nok og lav effekt nok til at flyve på et rumfartøj. De kaldes ultrastable oscillatorer, som er en komplet misnomer. De er ikke ultrastable. De registrerer dette signal- modtaget tid, men det er meget lav nøjagtighed. "
Fordi placeringsdataene ombord på rumfartøjet er så upålidelige, er det meget mere kompliceret at finde ud af, hvordan man navigerer - hvornår man skal tænde for en thruster eller skifte kursus - meget mere kompliceret og skal gøres på Jorden. Med andre ord kører folk på Jorden rumfartøjet fra hundreder af tusinder eller millioner af kilometer væk.
"Men hvis du kunne optage den signalmodtagne tid om bord meget nøjagtigt med et atomur, har du nu muligheden for at samle alle disse sporingsdata om bord og designe din computer og din radio, så rumfartøjet kan køre sig selv," hun sagde.
NASA og andre rumfartsbureauer har lagt atomur i rummet før. Vores hele GPS-satellitflåde har atomur. Men for det meste er de for unøjagtige og uhåndterlige til langtidsarbejde, sagde Seubert. Miljøet i rummet er meget grovere end et forskningslaboratorium på Jorden. Temperaturerne ændrer sig, når urene passerer ind og ud af sollys. Strålingsniveauer går op og ned.
"Det er et velkendt problem med rumfart, og vi sender typisk strålingshærdede dele, som vi har demonstreret, kan fungere i forskellige strålingsmiljøer med lignende ydelser," sagde hun.
Men strålingen ændrer stadig den måde, elektronikken fungerer på. Og disse ændringer påvirker det følsomme udstyr, som atomur bruger til at måle tiden med at glide ved, og truer med at indføre unøjagtigheder. Flere gange om dagen, påpegede Seubert, uploader luftforsvaret korrektioner til GPS-satellitternes ure for at forhindre dem i at glide ud af synkronisering med ure på jorden.
Målet med DSAC, sagde hun, er at etablere et system, der ikke kun er bærbart og enkelt nok til at blive installeret på ethvert rumfartøj, men også hårdt nok til at fungere i rummet på lang sigt uden at kræve konstante justeringer fra jordbaserede teams.
Ud over at give mulighed for mere præcis navigation i dyb rummet ved hjælp af jordiske signaler, kan et sådant ur en dag muligvis lade astronauter på fjerne forposter komme lige som vi gør med vores kortlægningsapparater på Jorden, sagde Seubert. En lille flåde af satellitter udstyret med DSAC-enheder kunne bane om månen eller Mars og fungere i stedet for jordiske GPS-systemer, og dette netværk ville ikke kræve korrektioner flere gange om dagen.
Ned ad vejen, sagde hun, kan DSAC'er eller lignende enheder spille en rolle i pulsar-navigationssystemer, som ville spore timingen af ting som pulserende lys fra andre stjernesystemer, så rumfartøjer kan navigere uden input fra Jorden.
Men det næste år er målet at få denne første DSAC til at fungere korrekt, når den kredser tæt på Jorden.
"Hvad vi skal gøre, er i det væsentlige at lære at indstille uret til at fungere ordentligt i dette miljø," sagde Seubert.
De lektioner, som DSAC-besætningen lærer, mens de indstillede enheden i år, skulle forberede dem til at bruge lignende enheder på længere rækkeopgaver ned ad vejen, tilføjede hun.
