Rymdfarkoster som vågar bortom vår måne förlitar sig på kommunikation med markstationer på jorden för att ta reda på var de är och vart de ska. NASAs Deep Space Atomic Clock arbetar för att ge de avlägsna upptäcktsresande mer autonomi när de navigerar. I en ny artikel publicerad idag i tidningen Natur , uppdraget rapporterar framsteg i sitt arbete med att förbättra rymdbaserade atomurens förmåga att konsekvent mäta tiden över långa perioder.

Känd som stabilitet, denna funktion påverkar också driften av GPS -satelliter som hjälper människor att navigera på jorden, så detta arbete har också potential att öka autonomin hos nästa generations GPS-rymdfarkoster.

För att beräkna banan för ett avlägset rymdfarkoster, ingenjörer skickar signaler från rymdfarkosten till jorden och tillbaka. De använder atomur i kylskåpstorlek på marken för att logga tidpunkten för dessa signaler, vilket är viktigt för att exakt mäta rymdfarkostens position. Men för robotar på Mars eller mer avlägsna destinationer, vänta på signalerna för att göra resan kan snabbt lägga upp till tiotals minuter eller till och med timmar.

Om dessa rymdfarkoster bar atomur, de kunde beräkna sin egen position och riktning, men klockorna måste vara mycket stabila. GPS -satelliter bär atomur för att hjälpa oss att nå våra destinationer på jorden, men dessa klockor kräver uppdateringar flera gånger om dagen för att upprätthålla den nödvändiga stabiliteten. Deep space-uppdrag skulle kräva mer stabila rymdbaserade klockor.

Drivs av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien, Deep Space Atomic Clock har fungerat ombord på General Atomics Orbital Test Bed-rymdfarkoster sedan juni 2019. Den nya studien rapporterar att missionsteamet har satt ett nytt rekord för långsiktig atomklockstabilitet i rymden, nå mer än 10 gånger stabiliteten för nuvarande rymdbaserade atomur, inklusive GPS -satelliter.

När varje nanosekund räknas

Alla atomklockor har en viss instabilitet som leder till en förskjutning i klockans tid mot den faktiska tiden. Om det inte korrigeras, förskjutningen, medan den är liten, ökar snabbt, och med rymdfarkostnavigering, även en liten offset kan ha drastiska effekter.

Ett av de viktigaste målen med Deep Space Atomic Clock -uppdraget var att mäta klockans stabilitet under längre och längre perioder, för att se hur det förändras med tiden. I det nya papperet teamet rapporterar en stabilitetsnivå som leder till en tidsavvikelse på mindre än fyra nanosekunder efter mer än 20 dagars drift.

"Som en generell regel, en osäkerhet på en nanosekund i tid motsvarar en avståndsosäkerhet på cirka en fot, "sa Eric Burt, en atomurfysiker för uppdraget vid JPL och medförfattare till det nya papperet. "Vissa GPS -klockor måste uppdateras flera gånger om dagen för att upprätthålla denna stabilitet, och det betyder att GPS är mycket beroende av kommunikation med marken. Deep Space Atomic Clock driver detta ut till en vecka eller mer, vilket potentiellt ger en applikation som GPS mycket mer autonomi. "

Stabiliteten och efterföljande tidsfördröjning som rapporteras i den nya tidningen är ungefär fem gånger bättre än vad teamet rapporterade våren 2020. Detta representerar inte en förbättring av klockan i sig. men i lagets mätning av klockans stabilitet. Längre driftsperioder och nästan ett helt år med ytterligare data gjorde det möjligt att förbättra mätningens precision.

Deep Space Atomic Clock -uppdraget avslutas i augusti, men NASA meddelade att arbetet med denna teknik fortsätter:Deep Space Atomic Clock-2, en förbättrad version av den banbrytande tidtagaren, kommer att flyga på VERITAS (kort för Venus Emissivity, Radiovetenskap, InSAR, Topografi, och spektroskopi) mission till Venus. Liksom sin föregångare, den nya rymdklockan är en teknikdemonstration, vilket betyder att målet är att främja rymdkapacitet genom att utveckla instrument, hårdvara, programvara, eller liknande som inte finns för närvarande. Byggd av JPL och finansierat av NASA:s Space Technology Mission Directorate (STMD), den ultraprecisa klocksignalen som genereras med denna teknik kan hjälpa till att möjliggöra autonom rymdfarkostnavigering och förbättra radiovetenskapliga observationer om framtida uppdrag.

"NASA:s urval av Deep Space Atomic Clock-2 på VERITAS talar till den här teknikens löfte, "sa Todd Ely, Deep Space Atomic Clock huvudutredare och projektledare på JPL. "På VERITAS, vi strävar efter att sätta denna nästa generations rymdklocka igenom sina steg och visa dess potential för djup rymdnavigering och vetenskap. "