För första gången, en optisk klocka har rest till rymden, att överleva svåra raketuppskjutningsförhållanden och framgångsrikt arbeta under den mikrogravitation som skulle upplevas på en satellit. Denna demonstration för den optiska klocktekniken mycket närmare implementering i rymden, där det så småningom kunde tillåta GPS-baserad navigering med positionsprecision på centimeternivå.

I The Optical Society's journal for high impact research, Optica , forskare rapporterar om en ny kompakt, robust och automatiserat frekvenskamlasersystem som var nyckeln till driften av den rymdburna optiska klockan. Frekvenskammar är de "växlar" som krävs för att köra klockor som tickar vid optiska frekvenser.

"Vår enhet representerar en hörnsten i utvecklingen av framtida rymdbaserade precisionsklockor och metrologi, " sa Matthias Lezius på Menlo Systems GmbH, tidningens första författare. "Den optiska klockan fungerade likadant i rymden som den hade på marken, visar att vår systemteknik fungerade mycket bra."

Använder tid för plats

Telefoner och andra GPS-aktiverade enheter pekar ut din plats på jorden genom att kontakta minst fyra satelliter som bär atomklockor. Var och en av dessa satelliter har en tidsstämpel, och systemet beräknar din plats baserat på de relativa skillnaderna mellan dessa tider. Atomklockorna som används på dagens satelliter är baserade på naturlig oscillation av cesiumatomen – en frekvens i mikrovågsområdet i det elektromagnetiska spektrumet.

Optiska klockor använder atomer eller joner som oscillerar cirka 100, 000 gånger högre än mikrovågsfrekvenser, i det optiska, eller synlig, en del av det elektromagnetiska spektrumet. De högre frekvenserna innebär att optiska klockor "tickar" snabbare än mikrovågsatomklockor och kan därmed ge tidsstämplar som är 100 till 1, 000 gånger mer exakt, avsevärt förbättra precisionen hos GPS.

Frekvenskammar är en viktig komponent i optiska klockor eftersom de fungerar som kugghjul, dela upp de snabbare svängningarna hos optiska klockor i lägre frekvenser som ska räknas och länkas till en mikrovågsbaserad referensatomklocka. Med andra ord, frekvenskammar gör att de optiska svängningarna kan mätas exakt och användas för att visa tid.

Tills nyligen, frekvenskammarna har varit mycket stora, komplexa uppställningar som bara finns i laboratorier. Lezius och hans team på Menlo Systems, ett spin-off företag av Nobelpristagaren T.W. Hänschs grupp vid Max Plank Institute for Quantum Optics, utvecklat en helautomatisk optisk frekvenskam som bara mäter 22 gånger 14,2 centimeter och väger 22 kilo.

Den nya frekvenskammen är baserad på optiska fibrer, vilket gör den robust nog att färdas genom de extrema accelerationskrafter och temperaturförändringar som upplevs när man lämnar jorden. Dess strömförbrukning är under 70 watt, väl inom kraven för satellitbaserade enheter.

Reser till rymden

Forskarna kombinerade sin nya frekvenskam med en atomär cesiumklocka som referens och en optisk rubidiumklocka utvecklad av forskargrupper vid Ferdinand Braun Institute Berlin och Humbold University Berlin samt en grupp från Hamburgs universitet som nyligen flyttade till Mainz University. Airbus Defence &Space GmbH var involverad i konstruktionen, gränssnitt, och integration av nyttolastmodulen som gick ut i rymden och som även gav stöd och utrustning under flygningen.

I april 2015, hela systemet flögs på en forskningsraket för en 6-minuters parabolflygning ut i rymden som en del av TEXUS-programmet som skjuts upp från Esrange Space Center i Sverige. När mikrogravitationen väl uppnåtts, systemet startade mätningar automatiskt och styrdes från markstationen via en radiolänk med låg bandbredd.

"Experimentet demonstrerade kammens funktion som en jämförande frekvensdelare mellan den optiska rubidiumövergången vid 384 THz och cesiumklockan som ger en 10 MHz referens, sa Lezius.

Även om den optiska klockan som användes i demonstrationen hade ungefär en tiondel av noggrannheten hos atomklockor som används på GPS-satelliter idag, forskarna arbetar redan på en ny version som kommer att förbättra noggrannheten med flera storleksordningar.

Global avkänning från rymden

De mycket noggranna mätningarna som möjliggörs med frekvenskammar kan vara användbara för många applikationer. Till exempel, rymdbaserade frekvenskammar skulle kunna förbättra noggrannheten för global fjärranalys av växthusgaser från satelliter och skulle kunna användas för rymdbaserade gravitationsvågsdetektorer.

"Applikationer baserade på frekvenskammar är ganska viktiga för framtida rymdbaserade optiska klockor, precisionsmetrologi och jordobservationstekniker, ", sa Lezius. "Frekvenskammarnas rymdtekniska beredskap utvecklas i snabb takt."

Forskarna planerar att flyga en förbättrad version av den optiska klockan ut i rymden i slutet av 2017. I det experimentet frekvenskammodulen kommer inte att flyga under en trycksatt kupol för att testa hur väl den fungerar i de vakuumförhållanden som skulle upplevas på en satellit. Forskarna försöker också förbättra systemets motstånd mot hård kosmisk strålning för att säkerställa att det kan fungera i flera år i omloppsbana.

Inom några år, Lezius och hans team siktar på att ha en rymdkvalificerad frekvenskammodul som rymdgemenskapen kan använda i framtida uppdrag och applikationer. De siktar på en enhet med en volym på cirka 3 liter som väger några kilo och har en strömförbrukning på cirka 10 watt.