Die NASA hat eine neue, hochpräzise, weltraumgestützte Atomuhr eingeschaltet, von der die Agentur hofft, dass sie eines Tages Raumfahrzeugen helfen wird, sich durch den Weltraum zu bewegen, ohne sich auf erdgebundene Uhren zu verlassen.
Es heißt Deep Space Atomic Clock (DSAC) und misst das Verhalten von Quecksilberionen, die in seinem kleinen Rahmen eingeschlossen sind. Es befindet sich seit Juni im Orbit, wurde jedoch am 23. August erstmals erfolgreich aktiviert. Es ist überhaupt nicht auffällig - nur eine graue Box von der Größe eines Toasters mit vier Scheiben und voller Drähte, Jill Seubert, eine Luft- und Raumfahrtingenieurin und eine von den Leitern des Projekts bei der NASA, sagte Live Science. Aber diese bescheidene Größe ist der Punkt: Suebert und ihre Kollegen arbeiten daran, eine Uhr zu konstruieren, die klein genug ist, um auf jedes Raumschiff geladen zu werden, und präzise genug, um komplizierte Manöver im Weltraum zu steuern, ohne dass die Cousins in Kühlschrankgröße auf der Erde etwas dazu beitragen.
Sie benötigen eine genaue Uhr, um sich im Weltraum zurechtzufinden, da sie groß und leer ist. Es gibt nur wenige Orientierungspunkte, anhand derer Sie Ihre Position oder Geschwindigkeit beurteilen können, und die meisten sind zu weit entfernt, um genaue Informationen zu liefern. Jede Entscheidung, ein Schiff zu drehen oder seine Triebwerke abzufeuern, beginnt mit drei Fragen: Wo bin ich? Wie schnell bewege ich mich? Und in welche Richtung?
Die beste Möglichkeit, diese Fragen zu beantworten, besteht darin, Objekte zu betrachten, für die die Antworten bereits bekannt sind, z. B. Funksender auf der Erde oder GPS-Satelliten, die bekannten Umlaufbahnen durch den Weltraum folgen. Senden Sie ein Signal mit Lichtgeschwindigkeit mit der genauen Zeit an Punkt A und messen Sie, wie lange es dauert, bis Sie Punkt B erreichen. Dies gibt Ihnen den Abstand zwischen A und B an. Senden Sie zwei weitere Signale von zwei weiteren Orten, und Sie haben genug Informationen, um genau herauszufinden, wo sich Punkt B im dreidimensionalen Raum befindet. (So funktioniert die GPS-Software auf Ihrem Telefon: indem Sie ständig die winzigen Unterschiede in den Zeitsignaturen überprüfen, die von verschiedenen umlaufenden Satelliten gesendet werden.)
Um im Weltraum zu navigieren, stütze sich die NASA derzeit auf ein ähnliches, aber weniger präzises System, sagte Seubert. Die meisten Atomuhren und Rundfunkgeräte befinden sich auf der Erde und bilden zusammen das sogenannte Deep Space Network. Daher kann die NASA die Position und Geschwindigkeit eines Raumfahrzeugs normalerweise nicht aus drei Quellen auf einmal berechnen. Stattdessen verwendet die Agentur eine Reihe von Messungen, während sich sowohl die Erde als auch das Raumschiff im Laufe der Zeit durch den Raum bewegen, um die Richtung und Position des Raumfahrzeugs festzulegen.
Damit ein Raumschiff weiß, wo es sich befindet, muss es ein Signal vom Deep Space Network empfangen, die Zeit berechnen, die das Signal benötigt, um anzukommen, und anhand der Lichtgeschwindigkeit eine Entfernung bestimmen. "Um dies sehr genau zu tun, müssen Sie müssen in der Lage sein, diese Zeiten - die Signal-Sende- und Signal-Empfangszeiten - so genau wie möglich zu messen. Und vor Ort, wenn wir diese Signale von unserem Deep Space Network senden, haben wir Atomuhren, die sehr genau sind und genau ", sagte Seubert. "Bis jetzt werden die Uhren, die wir hatten und die klein genug und schwach genug sind, um auf einem Raumschiff zu fliegen, als ultrastabile Oszillatoren bezeichnet, was eine völlige Fehlbezeichnung ist. Sie sind nicht ultrastabil. Sie zeichnen dieses Signal auf. Zeit erhalten, aber es ist sehr wenig genau. "
Da die Standortdaten an Bord des Raumfahrzeugs so unzuverlässig sind, ist es viel komplizierter und muss auf der Erde herausgefunden werden, wie man navigiert - wann man beispielsweise ein Triebwerk einschaltet oder den Kurs ändert. Mit anderen Worten, Menschen auf der Erde fahren das Raumschiff aus Hunderttausenden oder Millionen von Meilen Entfernung.
"Aber wenn Sie diese empfangene Signalzeit an Bord mit einer Atomuhr sehr genau aufzeichnen könnten, hätten Sie jetzt die Möglichkeit, all diese Tracking-Daten an Bord zu sammeln und Ihren Computer und Ihr Radio so zu gestalten, dass das Raumschiff selbst fahren kann." Sie sagte.
Die NASA und andere Weltraumagenturen haben zuvor Atomuhren in den Weltraum gebracht. Unsere gesamte GPS-Satellitenflotte trägt Atomuhren. Aber zum größten Teil sind sie zu ungenau und unhandlich für langfristige Arbeit, sagte Seubert. Die Umgebung im Weltraum ist viel rauer als in einem Forschungslabor auf der Erde. Die Temperaturen ändern sich, wenn die Uhren in das Sonnenlicht ein- und ausgehen. Die Strahlungswerte steigen und fallen.
"Es ist ein bekanntes Problem der Raumfahrt, und wir senden normalerweise strahlungsgehärtete Teile aus, von denen wir gezeigt haben, dass sie in verschiedenen Strahlungsumgebungen mit ähnlichen Leistungen arbeiten können", sagte sie.
Die Strahlung verändert jedoch immer noch die Funktionsweise der Elektronik. Und diese Änderungen wirken sich auf die Atomuhren empfindlicher Geräte aus, mit denen das Verrutschen der Zeit gemessen wird, und drohen, Ungenauigkeiten einzuführen. Seubert wies darauf hin, dass die Luftwaffe mehrmals täglich Korrekturen auf die Uhren der GPS-Satelliten hochlädt, um zu verhindern, dass sie nicht mehr mit den Uhren am Boden synchron sind.
Das Ziel des DSAC sei es, ein System zu etablieren, das nicht nur tragbar und einfach genug sei, um auf jedem Raumschiff installiert zu werden, sondern auch robust genug sei, um langfristig im Weltraum zu operieren, ohne dass ständige Anpassungen durch erdgestützte Teams erforderlich wären.
Eine solche Uhr ermöglicht nicht nur eine präzisere Navigation im Weltraum mithilfe irdischer Signale, sondern könnte eines Tages auch Astronauten auf entfernten Außenposten herumkommen lassen, so wie wir es mit unseren Kartierungsgeräten auf der Erde tun, sagte Seubert. Eine kleine Flotte von Satelliten, die mit DSAC-Geräten ausgestattet sind, könnte den Mond oder den Mars umkreisen und anstelle von irdischen GPS-Systemen funktionieren, und dieses Netzwerk würde nicht mehrmals täglich Korrekturen erfordern.
Auf der anderen Seite könnten DSACs oder ähnliche Geräte eine Rolle in Pulsar-Navigationssystemen spielen, die das Timing von Dingen wie dem Pulsieren von Licht von anderen Sternensystemen verfolgen, damit Raumfahrzeuge ohne Eingabe von der Erde navigieren können.
Für das nächste Jahr ist es jedoch das Ziel, dass dieser erste DSAC ordnungsgemäß funktioniert, wenn er in der Nähe der Erde umkreist.
"Wir müssen im Wesentlichen lernen, wie man die Uhr so einstellt, dass sie in dieser Umgebung richtig funktioniert", sagte Seubert.
Die Lektionen, die die DSAC-Crew in diesem Jahr beim Einstellen des Geräts lernt, sollten sie darauf vorbereiten, ähnliche Geräte später für Missionen mit größerer Reichweite einzusetzen, fügte sie hinzu.
