På overarbejde:NASAs atomur i det dybe rum fuldender missionen

I mere end to år, NASA's Deep Space Atomic Clock har rykket grænserne for tidtagning i rummet. Den 18. sept. 2021, dens mission fik en vellykket afslutning.

Instrumentet er hostet på General Atomics' Orbital Test Bed rumfartøj, der blev opsendt ombord på Department of Defense Space Test Program 2 mission 25. juni, 2019. Dens mål:at teste gennemførligheden af ​​at bruge et indbygget atomur til at forbedre rumfartøjsnavigation i det dybe rum.

I øjeblikket, rumfartøjer er afhængige af jordbaserede atomure. At måle et rumfartøjs bane, når det rejser ud over Månen, navigatører bruger disse tidtagere til præcist at spore, hvornår disse signaler sendes og modtages. Fordi navigatører ved, at radiosignaler rejser med lysets hastighed (ca. 186, 000 miles i sekundet, eller 300,- 000 kilometer i sekundet), de kan bruge disse tidsmålinger til at beregne rumfartøjets nøjagtige afstand, hastighed, og kørselsretning.

Men jo længere et rumfartøj er fra Jorden, jo længere tid det tager at sende og modtage signaler - fra flere minutter til et par timer - forsinker disse beregninger væsentligt. Med et indbygget atomur parret med et navigationssystem, rumfartøjet kunne med det samme beregne, hvor det er, og hvor det skal hen.

Bygget af NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien, Deep Space Atomic Clock er en ultra-præcis, kviksølv-ion atomur indkapslet i en lille æske, der måler omkring 10 tommer (25 centimeter) på hver side - nogenlunde på størrelse med en brødrister. Designet til at overleve strabadserne ved opsendelse og kulde, højbestrålingsmiljø i rummet uden at dets tidtagningsydelse forringes, The Deep Space Atomic Clock var en teknologidemonstration beregnet til at udføre teknologiske nyskabelser og udfylde kritiske videnhuller.

Efter at instrumentet fuldførte sin etårige primære mission i kredsløb om Jorden, NASA udvidede missionen til at indsamle flere data på grund af dens exceptionelle tidtagningsstabilitet. Men før den tekniske demo blev slukket den 18. september, missionen arbejdede overarbejde for at udtrække så mange data som muligt i de sidste dage.

"Deep Space Atomic Clock-missionen var en bragende succes, og historiens perle her er, at teknologidemonstrationen fungerede et godt stykke over den planlagte driftsperiode, " sagde Todd Ely, hovedefterforsker og projektleder hos JPL.

Dataene fra det banebrydende instrument vil hjælpe med at udvikle Deep Space Atomic Clock-2, en teknisk demo, der vil rejse til Venus ombord på NASA's Venus Emissivity, Radiovidenskab, InSAR, Topografi og spektroskopi (VERITAS) rumfartøj, når det opsendes i 2028. Dette vil være den første test for et atomur i det dybe rum og et monumentalt fremskridt for øget rumfartøjsautonomi.

Stabilitet er alt

Mens atomure er de mest stabile tidtagere på planeten, de har stadig ustabiliteter, der kan forårsage en minimal forsinkelse, eller "offset, " i urenes tid kontra den faktiske tid. Forladt ukorrigeret, disse forskydninger vil lægge sig sammen og kan føre til store fejl i positioneringen. Brøkdele af et sekund kan betyde forskellen mellem at ankomme sikkert til Mars eller at gå glip af planeten helt.

Opdateringer kan sendes fra Jorden til rumfartøjet for at korrigere for disse forskydninger. Global Positioning System (GPS) satellitter, for eksempel, bære atomure for at hjælpe os med at komme fra punkt A til B. For at sikre, at de holder tiden nøjagtigt, opdateringer skal ofte sendes til dem fra jorden. Men at skulle sende hyppige opdateringer fra Jorden til et atomur i det dybe rum ville ikke være praktisk og ville besejre formålet med at udstyre et rumfartøj med et.

Dette er grunden til, at et atomur på et rumfartøj, der udforsker det dybe rum, skal være så stabilt som muligt fra starten, gør det muligt at være mindre afhængig af Jorden for at blive opdateret.

"The Deep Space Atomic Clock lykkedes med dette mål, " sagde JPL's Eric Burt, en atomur-fysiker til missionen. "Vi har opnået en ny rekord for langsigtet atomurs stabilitet i rummet - mere end en størrelsesorden bedre end GPS-atomure. Det betyder, at vi nu har stabiliteten til at give mulighed for mere autonomi i dybe rummissioner og potentielt lave GPS satellitter mindre afhængige af opdateringer to gange dagligt, hvis de bar vores instrument."

I en nylig undersøgelse, Deep Space Atomic Clock-teamet rapporterede en afvigelse på mindre end fire nanosekunder efter mere end 20 dages drift.

Ligesom sin forgænger, Deep Space Atomic Clock-2 vil være en teknisk demo, hvilket betyder, at VERITAS ikke vil være afhængig af det for at opfylde sine mål. Men denne næste iteration vil være mindre, bruge mindre strøm, og være designet til at understøtte en flerårig mission som VERITAS.

"Det er en bemærkelsesværdig præstation af holdet - teknologidemonstrationen har vist sig at være et robust system i kredsløb, og vi ser nu frem til at se en forbedret version gå til Venus, sagde Trudy Kortes, direktør for teknologidemonstrationer for NASAs Science and Technology Mission Directorate (STMD) ved NASAs hovedkvarter i Washington. "Dette er, hvad NASA gør - vi udvikler nye teknologier og forbedrer eksisterende for at fremme menneskelig og robotisk rumflyvning. Deep Space Atomic Clock har virkelig potentialet til at transformere, hvordan vi udforsker det dybe rum."

Jason Mitchell, direktøren for Advanced Communications &Navigation Technology Division i NASA's Space Communications and Navigation (SCaN) i agenturets hovedkvarter var enig:"Instrumentets ydeevne var virkelig enestående og et vidnesbyrd om holdets kapacitet. Fremadrettet, ikke blot vil Deep Space Atomic Clock muliggøre betydelige, nye operationelle muligheder for NASAs menneskelige og robot-udforskningsmissioner, det kan også muliggøre en dybere udforskning af relativitetsteoriens fundamentale fysik, meget ligesom de ure, der understøtter GPS, har gjort."