NASA har aktiverat en ny, superexakt, rymdbaserad atomklocka som byrån hoppas kommer att en dag hjälpa rymdskepp att driva sig genom djupa rymden utan att förlita sig på jordbundna klockor.
Det kallas Deep Space Atomic Clock (DSAC), och det fungerar genom att mäta beteendet hos kvicksilverjoner fångade i dess lilla ram. Den har varit i omloppsbana sedan juni, men den aktiverades först med framgång den 23. augusti. Den är inte alls prålig - bara en grå ruta på storleken på en brödrost med fyra skivor och full av ledningar, Jill Seubert, flygingenjör och en av ledarna för projektet på NASA, berättade för Live Science. Men den obestridliga storleken är poängen: Suebert och hennes kollegor arbetar för att konstruera en klocka som är tillräckligt liten för att ladda på något rymdskepp och tillräckligt exakt för att vägleda komplicerade manövrer i djupa rymden utan någon inmatning från dess kylskåpsstor kusiner på jorden.
Du behöver en exakt klocka för att hitta vägen runt rymden eftersom den är stor och tom. Det finns få landmärken att bedöma din position eller hastighet, och de flesta är för långt borta för att kunna erbjuda exakt information. Så varje beslut att vända ett fartyg eller avfyra sina thrustrar, sa Seubert, börjar med tre frågor: Var är jag? Hur snabbt rör jag mig? Och i vilken riktning?
Det bästa sättet att svara på dessa frågor är att titta på föremål som svaren redan är kända för, till exempel radiosändare på jorden, eller GPS-satelliter som följer kända orbitalspår genom rymden. Skicka ut en signal i ljushastighet med den exakta tiden vid punkt A och mät hur lång tid det tar att komma till punkt B. Det berättar avståndet mellan A och B. Skicka ytterligare två signaler från ytterligare två platser, så har du tillräckligt med information för att räkna ut exakt var punkt B befinner sig i tredimensionellt utrymme. (Så här fungerar GPS-programvaran på din telefon: genom att hela tiden kontrollera minutskillnaderna i tidssignaturer som sänds av olika kretsande satelliter.)
För att navigera i rymden litar NASA för närvarande på ett liknande men mindre exakt system, sade Seubert. De flesta av atomklockorna och sändningsutrustningen finns på jorden, och de bildar tillsammans vad som kallas Deep Space Network. Så NASA kan vanligtvis inte beräkna ett rymdskepps position och hastighet från tre källor på en gång. Istället använder byrån en serie mätningar när både Jorden och rymdskeppet rör sig genom rymden över tid för att spika rymdfarkostens riktning och position.
För att ett rymdskepp ska veta var det är, måste det ta emot en signal från Deep Space Network, beräkna tiden det tog för signalen att komma fram och använda ljusets hastighet för att bestämma ett avstånd. "För att göra detta mycket exakt, du måste kunna mäta dessa tider - de signalskickade och signalmottagna tiderna - så exakt som möjligt.Om marken, när vi skickar dessa signaler från vårt Deep Space Network, har vi atomklockor som är mycket exakta och exakt, "sa Seubert. "Fram till nu, de klockor som vi har haft som är tillräckligt små och låg effekt nog att flyga på ett rymdskepp, de kallas ultrastabla oscillatorer, vilket är en fullständig missnöje. De är inte ultrastabila. De registrerar den signalen- fick tid, men det är väldigt låg noggrannhet. "
Eftersom platsuppgifterna ombord på rymdskeppet är så opålitliga, är det mycket mer komplicerat att ta reda på hur man navigerar - när man ska sätta på en thruster eller ändra kurs, på jorden. Med andra ord kör människor på jorden rymdskeppet från hundratusentals eller miljoner mil bort.
"Men om du kunde spela in den signalmottagna tiden ombord mycket exakt med en atomklocka, har du nu möjligheten att samla in alla dessa spårningsdata ombord och designa din dator och din radio så att rymdskeppet kan köra sig själv," Hon sa.
NASA och andra rymdbyråer har lagt atomklockor i rymden tidigare. Hela GPS-satellitflottan har atomklockor. Men för det mesta är de för felaktiga och olämpliga för långtidsarbete, sa Seubert. Miljön i rymden är mycket grovare än ett forskningslaboratorium på jorden. Temperaturen förändras när klockorna passerar in och ut ur solljus. Strålningsnivåerna går upp och ner.
"Det är ett välkänt problem med rymdflukt, och vi skickar vanligtvis upp strålningshärdade delar som vi har visat kan fungera i olika strålningsmiljöer med liknande prestanda," sade hon.
Men strålningen ändrar fortfarande hur elektroniken fungerar. Och dessa förändringar påverkar den känsliga utrustningen som atomklockor använder för att mäta tidsfördröjning och hotar att införa felaktigheter. Seubert påpekade flera gånger om dagen, och flygvapnet laddar upp korrigeringar på GPS-satelliternas klockor för att hindra dem från att synkronisera med klockor på marken.
Målet med DSAC, sade hon, är att etablera ett system som inte bara är bärbart och enkelt att installeras på något rymdskepp utan också tillräckligt hårt för att arbeta i rymden på lång sikt utan att kräva ständiga justeringar från jordbaserade team.
Förutom att möjliggöra en mer exakt djuputrymme-navigering med hjälp av jordiska signaler, kan en sådan klocka en dag låta astronauter på avlägsna utposter komma runt precis som vi gör med våra kartläggningsenheter på jorden, sa Seubert. En liten satellitflotta utrustad med DSAC-enheter kan kretsa runt månen eller Mars och fungera i stället för jordiska GPS-system, och detta nätverk skulle inte kräva korrigeringar flera gånger om dagen.
På vägen, sa hon, kan DSAC: er eller liknande enheter spela en roll i pulsarnavigeringssystem, som skulle spåra tidpunkten för saker som pulserande ljus från andra stjärnsystem för att låta rymdskepp navigera utan någon inmatning från jorden.
För nästa år är dock målet att få den här första DSAC-funktionen att fungera ordentligt när den går i närheten av jorden.
"Vad vi behöver göra är i huvudsak att lära sig att ställa in klockan för att fungera ordentligt i den miljön," sade Seubert.
Lektionerna som DSAC-besättningen lär sig när de ställde in enheten i år bör förbereda dem för att använda liknande enheter på längre räckviddar längs vägen, tillade hon.
