I rymden, noggrann tidtagning är avgörande för navigering, men många rymdskepp saknar exakta klockor ombord. I 20 år, NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, har finslipat en klocka. Det är inte ett armbandsur; inget man kan köpa i en butik. Det är Deep Space Atomic Clock (DSAC), ett instrument perfekt för utforskning av rymden på djupet.

För närvarande, de flesta uppdrag är beroende av markbaserade antenner parade med atomur för navigering. Markantenner skickar snävt fokuserade signaler till rymdfarkoster, som, i tur och ordning, returnera signalen. NASA använder skillnaden i tid mellan att skicka en signal och att ta emot ett svar för att beräkna rymdfarkostens plats, hastighet och väg.

Den här metoden, även om det är pålitligt, skulle kunna göras mycket mer effektivt. Till exempel, en markstation måste vänta på att rymdfarkosten ska returnera en signal, så en station kan bara spåra en rymdfarkost åt gången. Detta kräver att rymdfarkoster väntar på navigeringskommandon från jorden snarare än att fatta dessa beslut ombord och i realtid.

"Att navigera i rymden kräver att man mäter stora avstånd med vår kunskap om hur radiosignaler fortplantar sig i rymden, " sa Todd Ely från JPL, DSAC:s huvudutredare. "Att navigera rutinmässigt kräver avståndsmätningar som är exakta till en meter eller bättre. Eftersom radiosignaler färdas med ljusets hastighet, det betyder att vi måste mäta deras flygtid med en precision på några nanosekunder. Atomklockor har gjort detta rutinmässigt på marken i årtionden. Att göra detta i rymden är vad DSAC handlar om."

DSAC -projektet syftar till att ge en exakt tidtagning ombord för framtida NASA -uppdrag. Rymdfarkoster som använder denna nya teknik skulle inte längre behöva förlita sig på tvåvägsspårning. En rymdfarkost kan använda en signal som skickas från jorden för att beräkna position utan att returnera signalen och vänta på kommandon från marken, en process som kan ta timmar. Platsdata i rätt tid och kontroll ombord möjliggör effektivare operationer, mer exakt manövrering och anpassningar till oväntade situationer.

Detta paradigmskifte gör det möjligt för rymdfarkoster att fokusera på uppdragsmål snarare än att justera sin position för att peka antennerna nedåt för att stänga en länk för tvåvägs spårning.

Dessutom, denna innovation skulle göra det möjligt för markstationer att spåra flera satelliter samtidigt nära trånga områden som Mars. I vissa scenarier, noggrannheten hos dessa spårningsdata skulle överstiga traditionella metoder med en faktor fem.

DSAC är en avancerad prototyp av en liten, lågmassa atomur baserad på kvicksilver-jon-fälla-teknik. Atomklockorna på markstationerna i NASA:s Deep Space Network är ungefär lika stora som ett litet kylskåp. DSAC är ungefär lika stor som en brödrost med fyra skivor, och skulle kunna miniatyriseras ytterligare för framtida uppdrag.

DSAC-testflygningen kommer att ta denna teknik från laboratoriet till rymdmiljön. I omloppsbana, DSAC-uppdraget kommer att använda navigationssignalerna från amerikansk GPS tillsammans med exakt kunskap om GPS-satellitbanor och klockor för att bekräfta DSAC:s prestanda. Demonstrationen bör bekräfta att DSAC kan bibehålla tidsnoggrannheten till bättre än två nanosekunder (0,000000002 sekunder) under en dag, med ett mål att uppnå 0,3 nanosekunders noggrannhet.

När DSAC har bevisat sin förmåga, framtida uppdrag kan använda dess tekniska förbättringar. Klockan lovar ökad spårningsdatakvantitet och förbättrad spårningsdatakvalitet. Koppling av DSAC med inbyggd radionavigering kan säkerställa att framtida prospekteringsuppdrag har de navigationsdata som behövs för att passera solsystemet.

Teknologier ombord på DSAC kan också förbättra GPS-klockans stabilitet och, i tur och ordning, tjänsten GPS tillhandahåller användare över hela världen. Markbaserade testresultat har visat att DSAC är upp till 50 gånger stabilare än atomklockorna som för närvarande flyger på GPS. DSAC lovar att vara den mest stabila rymdklockan som någonsin flugit.

"Vi har höga mål för att förbättra rymdnavigering och vetenskap med hjälp av DSAC, " sa Ely. "Det kan ha en verklig och omedelbar inverkan för alla här på jorden om den används för att säkerställa tillgängligheten och fortsatta prestanda för GPS-systemet."