I mer än två år, NASA:s Deep Space Atomic Clock har tänjt på tidsgränserna i rymden. Den 18 september 2021, dess uppdrag fick ett framgångsrikt slut.

Instrumentet är värd på General Atomics' Orbital Test Bed-rymdfarkost som lanserades ombord på Department of Defense Space Test Program 2-uppdrag 25 juni, 2019. Dess mål:att testa genomförbarheten av att använda en inbyggd atomklocka för att förbättra rymdfarkosternas navigering i rymden.

För närvarande, rymdfarkoster är beroende av markbaserade atomur. För att mäta en rymdfarkosts bana när den färdas bortom månen, navigatorer använder dessa tidtagare för att exakt spåra när dessa signaler skickas och tas emot. Eftersom navigatörer vet att radiosignaler färdas med ljusets hastighet (cirka 186, 000 miles per sekund, eller 300, 000 kilometer per sekund), de kan använda dessa tidsmätningar för att beräkna rymdfarkostens exakta avstånd, fart, och färdriktning.

Men ju längre ett rymdskepp är från jorden, ju längre tid det tar att skicka och ta emot signaler – från flera minuter till några timmar – vilket försenar dessa beräkningar avsevärt. Med en inbyggd atomklocka ihopkopplad med ett navigationssystem, rymdfarkosten kunde omedelbart beräkna var den är och vart den är på väg.

Byggd av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien, Deep Space Atomic Clock är en ultraprecis, kvicksilverjon atomur inkapslad i en liten låda som mäter cirka 10 tum (25 centimeter) på varje sida – ungefär lika stor som en brödrost. Designad för att överleva påfrestningar av uppskjutning och kyla, högstrålande miljö i rymden utan att dess tidtagningsprestanda försämras, Deep Space Atomic Clock var en teknikdemonstration avsedd att genomföra tekniska nybörjar och fylla kritiska kunskapsluckor.

Efter att instrumentet slutfört sitt ettåriga primära uppdrag i jordens omloppsbana, NASA utökade uppdraget för att samla in mer data på grund av dess exceptionella tidsstabilitet. Men innan den tekniska demon stängdes av den 18 september, uppdraget arbetade övertid för att extrahera så mycket data som möjligt under de sista dagarna.

"Deep Space Atomic Clock-uppdraget var en rungande framgång, och berättelsens pärla här är att teknikdemonstrationen fungerade långt efter den avsedda driftsperioden, sa Todd Ely, huvudutredare och projektledare på JPL.

Data från det banbrytande instrumentet kommer att hjälpa till att utveckla Deep Space Atomic Clock-2, en teknisk demo som kommer att resa till Venus ombord på NASA:s Venus Emissivity, Radiovetenskap, InSAR, Topography &Spectroscopy (VERITAS) rymdfarkost när den lanseras 2028. Detta kommer att vara det första testet för en atomklocka i rymden och ett monumentalt framsteg för ökad autonomi för rymdfarkoster.

Stabilitet är allt

Medan atomklockor är de mest stabila tidtagarna på planeten, de har fortfarande instabiliteter som kan orsaka en minimal fördröjning, eller "offset, " i klockornas tid kontra den faktiska tiden. Lämnas okorrigerad, dessa förskjutningar kommer att läggas ihop och kan leda till stora fel i positioneringen. Bråkdelar av en sekund kan betyda skillnaden mellan att säkert anlända till Mars eller att missa planeten helt och hållet.

Uppdateringar kan sändas från jorden till rymdfarkosten för att korrigera för dessa förskjutningar. Global Positioning System (GPS) satelliter, till exempel, bära atomur för att hjälpa oss komma från punkt A till B. För att se till att de håller tiden korrekt, uppdateringar måste ofta överföras till dem från marken. Men att behöva skicka frekventa uppdateringar från jorden till en atomur i rymden skulle inte vara praktiskt och skulle besegra syftet med att utrusta en rymdfarkost med en sådan.

Det är därför en atomklocka på en rymdfarkost som utforskar rymden skulle behöva vara så stabil som möjligt från början, gör det möjligt att vara mindre beroende av jorden för att uppdateras.

"Deep Space Atomic Clock lyckades med detta mål, " sa JPL:s Eric Burt, en atomur fysiker för uppdraget. "Vi har uppnått ett nytt rekord för långtidsstabilitet för atomklockor i rymden — mer än en storleksordning bättre än GPS-atomklockor. Detta innebär att vi nu har stabiliteten för att möjliggöra mer autonomi i rymduppdrag och potentiellt göra GPS satelliter mindre beroende av uppdateringar två gånger dagligen om de bar vårt instrument."

I en nyligen genomförd studie, Deep Space Atomic Clock-teamet rapporterade en avvikelse på mindre än fyra nanosekunder efter mer än 20 dagars drift.

Liksom sin föregångare, Deep Space Atomic Clock-2 kommer att vara en teknisk demo, vilket innebär att VERITAS inte är beroende av det för att uppfylla sina mål. Men nästa iteration kommer att vara mindre, använda mindre ström, och utformas för att stödja ett flerårigt uppdrag som VERITAS.

"Det är en anmärkningsvärd prestation av teamet - teknikdemonstrationen har visat sig vara ett robust system i omloppsbana, och vi ser nu fram emot att se en förbättrad version gå till Venus, sa Trudy Kortes, chef för teknikdemonstrationer för NASA:s Science and Technology Mission Directorate (STMD) vid NASA:s högkvarter i Washington. "Det här är vad NASA gör - vi utvecklar ny teknik och förbättrar befintliga för att främja mänsklig och robotisk rymdfärd. Deep Space Atomic Clock har verkligen potentialen att förändra hur vi utforskar rymden."

Jason Mitchell, direktören för Advanced Communications &Navigation Technology Division av NASA:s Space Communications and Navigation (SCaN) vid byråns huvudkontor höll med:"Instrumentets prestanda var verkligen exceptionell och ett bevis på teamets förmåga. Framöver, inte bara kommer Deep Space Atomic Clock att möjliggöra betydande, nya operativa möjligheter för NASA:s mänskliga och robotiserade utforskningsuppdrag, det kan också möjliggöra djupare utforskande av relativitetsfysiken, ungefär som klockorna med stöd för GPS har gjort."