For å vite hvor langt fra jorden et romfartøy er, må man sende et signal fra bakkestasjonen til romfartøyet, som så returnerer signalet tilbake til utgangspunktet. Fordi man vet signalets hastighet, kan man da ganske så nøyaktig beregne avstanden til jorden. Enkelt, ikke sant?
Vel, ikke helt.
For at romfartøyet selv skal «vite» hvor det er, må man atter en gang sende det et signal fra jorden. Det går i og for seg greit når fartøyet ikke er langt unna, men med en gang distansene begynner å bli slik vi kjenner dem fra ulike romsonder, blir saken en ganske annen. Det kan ta timer eller til og med flere døgn å vente på at signalene skal gå frem og tilbake, og jo lengre tid det tar, jo mindre verdt er informasjonen.
De siste årene har NASA forsket på hva man kan gjøre med dette problemet, og de har kommet frem til Deep Space Atomic Clock, et atomur som er lite nok til å kunne installeres i romsonder og satellitter som skal fungere langt fra orden.
Her kan du se en liten videosnutt Nasa har laget for å oppsummere problemet og den mulige løsningen:
Deep Space Atomic Clock har gått i bane rundt orden i en test-satellitt siden juni 2019, og i en fersk artikkel i Nature kommer det frem at det har satt rekord i stabilitet for atomur i rommet.
Hvordan virker et atomur?
Hubbles etterfølger kan bli forsinket enda en gang
Et konvensjonelt atomur kan ha en feilmargin på ett nanosekund på fire døgn, eller ett mikrosekund på ti år. Dette tilsvarer ett sekund feil på ti millioner år. Deep Space Atomic Clock skal ha en stabilitet som tilsvarer en feilmargin på ett nanosekund på over fem dager, altså enda litt bedre enn «vanlige» atomur på bakken.
De fleste elektroniske klokker i dag benytter vibrasjoner i en kvartskrystall for å holde nøyaktig tid. Kvartskrystaller vibrerer med en presis frekvens når elektrisitet tilføres, og det er dette som utnyttes i alt fra armbåndsur til radiosendere og satellitter. Men for romfartøy som skal et stykke utenfor månen, er ikke kvartsur verken nøyaktige eller stabile nok.
Her trengs det klokker som kan beregne tiden ned til et milliarddels sekund eller bedre og er langt mer stabile enn kvartsur. Sistnevnte kan gå feil med så «mye» som et nanosekund per time. Det holder til hverdags, men for et romfartøy som skal langt av gårde og med høy hastighet, kan det etter seks uker bety en feilposisjonering på 300 kilometer.
Man lander ikke roboter eller helikopterdroner på Mars med en slik feilmargin.
Atomur bruker i bunn og grunn den samme velkjente kvarts-teknologien, men benytter i tillegg fenomenet at elektroner ved visse frekvenser kan hoppe fra et elektronskall – eller «baner» rundt en atomkjerne – i et atom til et annet. Forskjellen i energinivå når elektronene er i ulike elektronskall, er svært presis og kan måles.
Faktisk har et sekund siden 1967 vært definert som «... varigheten av 9.192.631.770 perioder av strålingen som svarer til overgangen mellom de to hyperfine nivåene av grunntilstanden til cesium-133-atomet ved null kelvin».
Dermed kan man bruke dette fenomenet til å måle nøyaktigheten i et kvartsur – og om nødvendig korrigere det.
50 ganger mer stabil
Hubble har alvorlige dataproblemer
En form for atomur benyttes på GPS-satellitter, som er svært avhengige av korrekt tid for å kunne oppgi nøyaktig posisjon på bakken. Men selv disse må korrigeres fra bakkestasjoner to ganger i døgnet, fra atomur som er mer nøyaktige og stabile – og på størrelse med et kjøleskap – og dermed ikke veldig praktiske å ha om bord i satellitter.
Deep Space Atomic Clock benytter imidlertid ikke cesium, men kvikksølv. Prinsippet er det samme som for cesium-baserte atomur, men med slike er en viktig feilkilde at de nøytrale cesium-atomene i vakuumkammeret kan forstyrres av veggene i kammeret, noe som vil forårsake feil i målingene av frekvensen. Deep Space Atomic Clock er imidlertid ikke basert på nøytrale atomer, men ioner som holdes i en elektromagnetisk «felle» nettopp for å hindre forstyrrelser fra kammerets vegger.
Dermed vil Deep Space Atomic Clock være opptil 50 ganger mer stabilt enn atomurene ombord på GPS-satellitter. Dermed vil en GPS-satellitt med Deep Space Atomic Clock om bord greie seg med en tidsoppdatering én gang i uken, eller kanskje til og med enda sjeldnere, og ikke to eller flere ganger per døgn, som i dag.
De nye resultatene er omtrent fem ganger så gode som dem Nasa meldte om for et drøyt år siden. Et år med ekstra målinger og data satte dem i stand til å optimalisere Deep Space Atomic Clocks presisjon ytterligere.
Deep Space Atomic Clock avsluttes i august, melder NASA, men forskningen på emnet fortsetter, og etter planen skal Deep Space Atomic Clock versjon 2 være om bord på Veritas-sonden som etter planen skal sendes til Venus i 2028.
Romfartøyet Perseverance har fanget opp historiske lydopptak fra Mars
