Optisk urteknologi testet i rummet for første gang

For første gang, et optisk ur har rejst til rummet, overlevede barske raketopsendelsesforhold og med succes opererer under den mikrotyngdekraft, der ville blive oplevet på en satellit. Denne demonstration bringer optisk urteknologi meget tættere på implementering i rummet, hvor det i sidste ende kunne tillade GPS-baseret navigation med placeringspræcision på centimeterniveau.

I The Optical Society's journal for high impact research, Optica , forskere rapporterer om en ny kompakt, robust og automatiseret frekvenskamlasersystem, der var nøglen til driften af ​​det rumbårne optiske ur. Frekvenskamme er de "gear", der er nødvendige for at køre ure, der tikker ved optiske frekvenser.

"Vores enhed repræsenterer en hjørnesten i udviklingen af ​​fremtidens rumbaserede præcisionsure og metrologi, " sagde Matthias Lezius fra Menlo Systems GmbH, avisens første forfatter. "Det optiske ur udførte det samme i rummet, som det havde på jorden, viser, at vores systemudvikling fungerede meget godt."

Brug af tid til placering

Telefoner og andre GPS-aktiverede enheder lokaliserer din placering på Jorden ved at kontakte mindst fire satellitter, der bærer atomure. Hver af disse satellitter giver et tidsstempel, og systemet beregner din placering baseret på de relative forskelle mellem disse tidspunkter. Atomure, der bruges på nutidens satellitter, er baseret på naturlig oscillation af cæsiumatomet - en frekvens i mikrobølgeområdet af det elektromagnetiske spektrum.

Optiske ure bruger atomer eller ioner, der svinger omkring 100, 000 gange højere end mikrobølgefrekvenser, i det optiske, eller synlig, del af det elektromagnetiske spektrum. De højere frekvenser betyder, at optiske ure "tikker" hurtigere end mikrobølge-atomure og dermed kunne give tidsstempler, der er 100 til 1, 000 gange mere præcis, i høj grad forbedre præcisionen af ​​GPS.

Frekvenskamme er en vigtig komponent i optiske ure, fordi de fungerer som tandhjul, opdeling af de hurtigere svingninger af optiske ure i lavere frekvenser, der skal tælles og knyttes til et mikrobølge-baseret reference atomur. Med andre ord, frekvenskamme gør det muligt at måle de optiske svingninger præcist og bruges til at fortælle tiden.

Indtil for nylig, frekvenskamme har været meget store, komplekse opsætninger, der kun findes i laboratorier. Lezius og hans team hos Menlo Systems, et spin-off selskab af nobelpristageren T.W. Hänschs gruppe ved Max Plank Institute for Quantum Optics, udviklet en fuldautomatisk optisk frekvenskam, der kun måler 22 gange 14,2 centimeter og vejer 22 kilo.

Den nye frekvenskam er baseret på optiske fibre, hvilket gør den robust nok til at rejse gennem de ekstreme accelerationskræfter og temperaturændringer, man oplever, når man forlader Jorden. Dens strømforbrug er under 70 watt, godt inden for kravene til satellitbaserede enheder.

At rejse til rummet

Forskerne kombinerede deres nye frekvenskam med et atomært cæsiumur til reference og et optisk rubidiumur udviklet af forskergrupper ved Ferdinand Braun Institute Berlin og Humbold University Berlin samt en gruppe fra Hamborg Universitet, der for nylig flyttede til Mainz Universitet. Airbus Defence &Space GmbH var involveret i konstruktionen, grænseflade, og integration af nyttelastmodulet, der gik ud i rummet og også gav støtte og udstyr under flyvningen.

I april 2015 hele systemet blev fløjet på en forskningsraket til en 6-minutters parabolflyvning ud i rummet som en del af TEXUS-programmet, der opsendes fra Esrange Space Center i Sverige. Når først mikrogravitation var opnået, systemet startede målinger automatisk og blev styret fra jordstationen via en radioforbindelse med lav båndbredde.

"Eksperimentet demonstrerede kammens funktionalitet som en sammenlignende frekvensdeler mellem den optiske rubidiumovergang ved 384 THz og cæsiumuret, der giver en 10 MHz reference, sagde Lezius.

Selvom det optiske ur, der blev brugt i demonstrationen, havde omkring en tiendedel af nøjagtigheden af ​​atomure, der bruges på GPS-satellitter i dag, forskerne arbejder allerede på en ny version, der vil forbedre nøjagtigheden med flere størrelsesordener.

Global sansning fra rummet

De meget nøjagtige målinger, der er muliggjort med frekvenskamme, kan være nyttige til mange applikationer. For eksempel, rumbaserede frekvenskamme kunne forbedre nøjagtigheden af ​​global fjernmåling af drivhusgasser fra satellitter og kunne bruges til rumbaserede gravitationsbølgedetektorer.

"Applikationer baseret på frekvenskamme er ret vigtige for fremtidige rumbaserede optiske ure, præcisionsmetrologi og jordobservationsteknikker, " sagde Lezius. "Den rumteknologiske beredskab af frekvenskamme udvikler sig i et hurtigt tempo."

Forskerne planlægger at flyve en forbedret version af det optiske ur ud i rummet i slutningen af ​​2017. I det eksperiment frekvenskammodulet vil ikke flyve under en kuppel under tryk for at teste, hvor godt det fungerer under de vakuumforhold, som ville opleves på en satellit. Forskerne søger også yderligere at forbedre systemets modstand mod hård kosmisk stråling for at sikre, at det kan fungere i flere år i kredsløb.

Inden for få år, Lezius og hans team sigter efter at have et rumkvalificeret frekvenskammodul, som rumsamfundet kan bruge i fremtidige missioner og applikationer. De sigter efter en enhed med en volumen på omkring 3 liter, der vejer et par kilo og har et strømforbrug på cirka 10 watt.