Вчера утром НАСА запустило на орбиту ракету SpaceX Falcon Heavy с мешаниной научных миссий на борту. Одной из самых интригующих полезных нагрузок были часы, которые будут вращаться около года, пока вращаются вокруг планеты. Но это не обычные часы: атомные часы в глубоком космосе - это технология, которая может значительно облегчить навигацию в глубоком космосе в будущем.
Касандра Брабав из Space.com сообщает, что большинство зондов, отправляемых в космос, отслеживаются с Земли с помощью радиоволн, которые распространяются со скоростью света. Сигнал посылается с Земли и сразу же возвращается к управлению полетом, что позволяет обработчикам зонда рассчитать его точное положение на основе того, сколько времени потребовалось сигналу, чтобы добраться до них. Этот процесс опирается на Deep Space Network НАСА, массив радиоантенн, которые могут обрабатывать только столько космического трафика в любой момент.
Однако, если бы у зондов были стабильные и точные часы, чтобы они могли составлять свой собственный курс, они могли бы выполнять часть навигации самостоятельно, сообщает Джонатан Амос на BBC.
«Автономная бортовая навигация означает, что космический корабль может выполнять свою собственную навигацию в режиме реального времени, не дожидаясь отправки указаний от навигаторов здесь, на Земле», - заявил недавно на пресс-конференции журналистам заместитель главного следователя Джилл Сойбер. «Самодвижущиеся» космические корабли также играют ключевую роль в посадке людей на Марс. «Благодаря этой возможности космический корабль с человеческим экипажем может быть безопасно доставлен на посадочную площадку с меньшей неопределенностью на пути».
Но даже самый хороший Rolex не будет сокращать это в космосе. Кристаллы кварца колеблются с регулярной частотой, когда электрический ток проходит через них, поэтому они используются в часах для отслеживания времени. Они достаточно точны, когда речь идет о том, чтобы встать на работу или сесть на поезд, но сами по себе они недостаточно точны для навигации в глубоком космосе. Они могут потерять целую миллисекунду в течение шести недель, что было бы катастрофическим для космического зонда.
Чтобы получить точность в миллиардные доли секунды, необходимую для полета через космос, нужны атомные часы, устройство, которое обучает свой кварцевый кристалл колебаниям определенных атомов. Электроны вокруг этих атомов занимают различные энергетические уровни или орбиты, и для того, чтобы они перепрыгнули на следующий энергетический уровень, требуется точный толчок электричества. «Тот факт, что разность энергий между этими орбитами является такой точной и стабильной величиной, действительно является ключевым компонентом для атомных часов», - говорится в пресс-релизе Эрика Берта, физика атомных часов в Лаборатории реактивного движения НАСА. «Именно поэтому атомные часы могут достигать уровня производительности, превышающего механические часы».
В атомных часах частота кварцевого генератора точно настроена, чтобы соответствовать энергии, необходимой, чтобы вывести электроны на новый энергетический уровень. Когда кварц вибрирует с нужной частотой, электроны будут переходить на следующий энергетический уровень. Если они этого не делают, часы знают, что частота выключена, и могут исправить себя, процесс, который происходит каждые несколько секунд.
В настоящее время большинство земных атомных часов имеют размеры холодильника. Введите атомные часы в глубоком космосе, с которыми инженеры НАСА работают уже почти 20 лет. Гаджет размером с тостер использует заряженные ионы ртути, чтобы поддерживать кварцевый генератор в рабочем состоянии, и теряет всего одну наносекунду за четыре дня. Потребуется около 10 миллионов лет, чтобы часы отключились на одну секунду, что сделает их примерно в 50 раз более стабильными, чем точные часы, используемые в спутниковой навигации GPS.
Часы в настоящее время находятся на низкой околоземной орбите и будут включены через четыре-семь недель. После трех-четырех недель работы исследователи проанализируют его предварительные характеристики и вынесут окончательный вердикт о том, насколько хорошо он работает в космосе, после того как он приблизится к планете в течение года.
Если часы достаточно стабильны, согласно заявлению НАСА, они могут появиться на космических кораблях к 2030-м годам. Выживет ли эта версия или нет, атомные часы или аналогичная технология будут иметь решающее значение в будущих космических полетах в другие миры.
«Атомные часы в глубоком космосе смогут помочь в навигации не только локально, но и на других планетах», - говорит Берт. «Один из способов думать об этом, как будто у нас есть GPS на других планетах».
Другие эксперименты, которые вышли на орбиту с часами, включают Миссию по вливанию зеленого топлива, которая тестирует систему, которая использует высокоэффективное нетоксичное космическое топливо, и эксперимент Enhanced Tandem Beacon, который исследует пузырьки в электрически заряженных слоях. атмосферы Земли, которая может иногда мешать сигналам GPS.
