Deep Space Atomic Clock stellt Rekord im ersten Testlauf auf


EinAtomuhrentwickelt, um die Art und Weise, wie wir im Weltraum navigieren, zu verändern, ist in seinem ersten weltraumbasierten Testlauf erfolgreich. Forscher beschrieben den Test und seine Ergebnisse in einem neuen Papierveröffentlichtdiese Woche (30.06.2021) online impeer-reviewedTagebuchNatur. Hier auf der Erde tragen GPS-Satelliten Atomuhren, die uns helfen, zu unseren Zielen zu navigieren, ohne zum Beispiel zu Hause anrufen zu müssen, um Anweisungen zu den zu nehmenden Straßen zu erhalten. Ebenso dieWeltraum-Atomuhrwird Roboter-Raumsonden und zukünftigen menschlichen Reisenden mehr Autonomie – mehr Selbstverwaltung – bei der Navigation in Entfernungen jenseits des Erdmonds geben.

Das Jet Propulsion Laboratory der NASA (JPL) in Pasadena, Kalifornien, leitet das Projekt. Wie die NASA in a . erklärteStellungnahme:


… Raumschiffe, die sich über unseren Mond hinaus vorwagen, sind auf die Kommunikation mit Bodenstationen auf der Erde angewiesen, um herauszufinden, wo sie sich befinden und wohin sie gehen.

Aber weltraumgestützte Atomuhren werden das ändern, sobald die Forscher alle Fehler ausfindig gemacht haben. Ein großes Problem war die Fähigkeit weltraumgestützter Atomuhren, Zeit zu messenkonstant über lange Zeiträume. Die NASA sagte:

Diese als „Stabilität“ bekannte Funktion wirkt sich auch auf den Betrieb von GPS-Satelliten aus, die den Menschen bei der Navigation auf der Erde helfen …

Und die NASA sagte:




„Stabilität“ bezieht sich darauf, wie konsistent eine Uhr eine Zeiteinheit misst. Seine Messung der Länge einer Sekunde muss beispielsweise über Tage und Wochen gleich sein (auf besser als eine Milliardstel Sekunde).

In der neuen Studie berichten Forscher, dass die Deep Space Atomic Clock seit Juni 2019 an Bord der Raumsonde Orbital Test Bed von General Atomic arbeitet. Die NASA sagte:

Die neue Studie berichtet, dass das Missionsteam einen neuen Rekord für die langfristige Stabilität von Atomuhren im Weltraum aufgestellt hat und mehr als das Zehnfache der Stabilität aktueller weltraumgestützter Atomuhren, einschließlich derer auf GPS-Satelliten, erreicht.

Eine metallische, quadratische Schachtel mit Drähten, die durch kleine Öffnungen sichtbar sind.

Die NASA sagte, ihre Deep Space Atomic Clock könnte die Weltraumnavigation „revolutionieren“. Eine kompakte Bauweise ist eine wesentliche Voraussetzung für die Technologiedemonstration. Das hier gezeigte komplette Hardware-Paket ist auf jeder Seite nur etwa 25 cm groß. Bild überNASA.


Wie navigieren wir im Weltraum?

Gegenwärtig helfen Raumfahrzeugsteuerungen einem Raumfahrzeug beim Navigieren, indem sie ein Signal an das Raumfahrzeug senden, das das Signal zurückprallt. Atomuhren in Kühlschrankgröße am Boden messen genau, wie lange das Signal für die Hin- und Rückreise benötigt. Da sich die Signale mit bekannter Geschwindigkeit ausbreiten – dieLichtgeschwindigkeit– Wissenschaftler können dann genau berechnen, wie weit die Raumsonde gereist ist. Vielleicht haben Sie diese Formel in der Schule gelernt.Distanz= Geschwindigkeit x Zeit?

Aber der Weltraum – sogar der Raum innerhalb unseres eigenen Sonnensystems – istgroß. Die NASA sagte:

… bei Robotern auf dem Mars oder weiter entfernten Zielen kann sich das Warten auf die Signale für die Reise schnell auf mehrere zehn Minuten oder sogar Stunden summieren.

Stellen Sie sich nun vor, ein Raumschiff hätte seine eigene Atomuhr. In diesem Fall könnte das Raumfahrzeug ein Signal von der Erde empfangen und schnell seine eigenen aktuellen Positionen und Fahrtrichtungen berechnen. Sie könnten also sehen, dass die Deep Space Atomic Clock der NASA zukünftigen Robotern und menschlichen Entdeckern mehr Autonomie geben wird. Künftige Schiffe, die diese Uhren tragen, werden in der Lage sein, selbstständig zu navigieren.


Hier kommt Stabilität ins Spiel

Die NASA erklärte das:

… die Uhren müssten hochstabil sein. GPS-Satelliten tragen Atomuhren, die uns helfen, unsere Ziele auf der Erde zu erreichen, aber diese Uhren müssen mehrmals täglich aktualisiert werden, um die erforderliche Stabilität zu gewährleisten. Weltraummissionen würden stabilere weltraumgestützte Uhren erfordern.

Die NASA erklärte, dass alle Atomuhren ein gewisses Maß an Instabilität aufweisen. Dies führt zu einem Versatz der Uhrzeit der Uhr gegenüber der tatsächlichen Uhrzeit. Wenn nicht korrigiert, sagte die NASA:

… der Versatz ist zwar winzig, nimmt aber schnell zu, und bei der Navigation von Raumfahrzeugen könnte selbst ein winziger Versatz drastische Auswirkungen haben.

Eines der Hauptziele der Deep Space Atomic Clock Mission war es, die Stabilität der Uhr über immer längere Zeiträume zu messen, um zu sehen, wie sie sich mit der Zeit ändert. In dem neuen Papier berichtet das Team von einer Stabilität, die zu einer Zeitabweichung von weniger als vier . führtNanosekundennach mehr als 20 Betriebstagen.

Das ist zuverlässig genug für den Einsatz in zukünftigen Missionen.Eric Burt, Atomuhrenphysiker für die Mission am JPL und Co-Autor der neuen Arbeit,hinzugefügt:

Als allgemeine Regel entspricht eine Zeitunsicherheit von einer Nanosekunde einer Entfernungsunsicherheit von etwa einem Fuß [ein Drittel m]. Einige GPS-Uhren müssen mehrmals täglich aktualisiert werden, um dieses Stabilitätsniveau zu erhalten, und das bedeutet, dass GPS stark von der Kommunikation mit dem Boden abhängig ist. Die Deep Space Atomic Clock verschiebt dies auf eine Woche oder länger und gibt so einer Anwendung wie GPS möglicherweise viel mehr Autonomie.

Die Mission geht weiter

JPL in Südkalifornien leitet seit 2019 das Projekt Deep Space Atomic Clock. Die Deep Space Atomic Clock arbeitet an Bord derGeneral Atomics Orbital Test Bedim Orbit um die Erde.EntsprechendNASA-JPL stellt der Fortschritt dieser Mission keine Verbesserung der Uhr selbst dar, sondern eine Verbesserung ihrer Fähigkeit, Zeit und Raum zu messen. Und Befürworter des Projekts glauben, dass zusätzliche Daten es weiter verbessern können.

Das Projekt endet im August dieses Jahres, es folgen aber dieWeltraum-Atomuhr-2. Das wird als erweiterte Version des Zeitnehmers dienen und auf dem fliegenVERITASMission zur Venus.

Diese Demonstration kann möglicherweise Auswirkungen auf den GPS-Satellitenbetrieb haben, wie er für unsere tägliche Navigation auf der Erde unerlässlich ist. Sogar selbstfahrende Raumschiffe könnten schon Mitte der 2020er Jahre ermöglicht werden. Die meisten von uns leben ein Leben, das so an Technologie gewöhnt ist, dass wir leicht vergessen, welche Leistungen alltägliche Werkzeuge wie eine GPS-App so zugänglich machen. Für manche ist dieses Projekt eine aufregende Erinnerung.

Robert Tjoelker, Mitforscher der Deep Space Atomic Clock am JPL, sagte:

Auf lange Sicht könnte diese Technologie revolutionär sein. Nur unsere Uhr in den Weltraum zu bringen und gut zu funktionieren, ist ein großer erster Schritt. Weitere Verfeinerungen hin zu noch längerer Lebensdauer und höherer Stabilität sind bereits in Arbeit.

Ein kleines, kastenförmiges, blau-weißes Raumschiff, das im Weltraum über der Erde schwebt, mit dem Mond dahinter.

Künstlerisches Konzept der Deep Space Atomic Clock an Bord der Raumsonde General Atomics Orbital Test Bed in der Erdumlaufbahn. Bild über Elektromagnetische Systeme von General Atomics/NASA.

Fazit: Die Deep Space Atomic Clock der NASA hat in ihrem ersten Jahr im Orbit um die Erde alle anderen Uhren im Weltraum übertroffen. Die Uhr ist mindestens zehnmal stabiler als die von GPS-Satelliten: laut Forschern ein neuer Rekord.

Quelle: Demonstration einer Atomuhr mit gefangenen Ionen im Weltraum

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