Една нова технология, която ще бъде изпратена в космоса на 24 юни 2019 г. , ще промени начина, по който се управляват космическите кораби - дори как изпращаме астронавти на Марс и извън него.
Атомният часовник за дълбокия космос (Deep Space Atomic Clock), разработен от Лабораторията за реактивни двигатели на НАСА, е технологична демонстрация, която ще направи навигацията на космическите кораби по-самостоятелна в далечни места като Марс. Апаратът ще бъде тестван в орбита на Земята в продължение на година, за да се подготви за бъдещите мисии към други планети.
Но какво представлява атомният часовник? Как се използва в космическата навигация и какво прави новият атомен часовник на НАСА Deep Space Atomic Clock различен?
Защо използваме часовници за навигация в пространството?
За да се определи разстоянието на космически кораб от Земята, навигаторите изпращат сигнал до него, който след това се връща на Земята. Времето, което е нужно за сигнала да направи това двупосочно пътуване, разкрива разстоянието до космическия кораб от Земята, защото сигналът се движи с определена скорост и това е скоростта на светлината.
Чрез изпращане на множество сигнали и извършване на много измервания във времето, навигаторите могат да изчислят траекторията на космическия кораб - къде се намира и къде се насочва.
Повечето съвременни часовници, от обикновените часовници до тези, използвани на сателитите, измерват времето с помощта на кварцов осцилатор. Тези устройства използват това, че кварцовите кристали вибрират с точна честота, когато към тях се приложи напрежение. Вибрациите на кристала действат като махалото на старите часовници.
За да знаят позицията на космическия кораб с точност един метър, навигаторите се нуждаят от часовници с прецизна времева резолюция - часовници, които могат да измерват милиардни от секундата.
Навигаторите се нуждаят и от часовници, които са изключително стабилни. "Стабилността" е свързана с това, колко пъти последователно часовникът може измери единица време, а нужно е също и отмерването му на дължината например на секундата да е едно и също по-дълго време.
Какво общо имат атомите с часовниците?
За стандартите за космическата навигация кварцовите часовници не са много стабилни. Само след час, дори и най-добрите кварцови осцилатори могат да изостанат с една наносекунда (една милиардна част от секундата). След шест седмици отклонението им може да нарастне до пълна милисекунда (една хилядна част от секундата) или грешка при измерване на разстоянията от 300 км. Това би имало огромно влияние върху измерването на позицията на бързо движещ се космически кораб.
Атомните часовници комбинират кварцов осцилатор с група атоми от определен химически елемент за постигане на по-голяма стабилност. Атомният часовник на НАСА ще се отклонява с по-малко от наносекунда за четири дни и по-малко от една микросекунда (една милионна част от секундата) за 10 години. Това се равнява на неточност само една секунда на всеки 10 милиона години.
Атомите са съставени от ядро (състоящо се от протони и неутрони), заобиколени от електрони. Всеки елемент на периодичната таблица представлява атом с определен брой протони в своето ядро. Броят на електроните, които се носят около ядрото, може да варира, но те трябва да заемат дискретни (точно определени) енергийни нива или орбити.
Един прилив на енергия под формата на микровълни например може да накара електроните да се издигнат до по-висока орбита около ядрото. За да направи този скок, електронът трябва да получи точно необходимото количество енергия, което означава, че микровълните трябва да имат точно определена честота.
Енергията, необходима за промяна на орбитите на електроните, е уникална за всеки елемент и е една и съща в цялата Вселена за всички атоми на даден елемент. Атомният часовник на дълбокия космос (Deep Space Atomic Clock) използва атоми на живак - необходима е определена честота, за да се накарат тези електрони да променят нивата си и тази честота ще бъде еднаква и неизменна за всички живачни атоми.
Това, че енергийната разлика между тези орбити има толкова прецизна и стабилна стойност, е причината, поради която атомните часовници са много по-точни от механичните.
Възможността да се измери тази неизменяема честота в даден атом предоставя на науката универсален, стандартизиран начин за измерване на времето. ("Честотата" се отнася до броя на вълните, които преминават определена точка в пространството за единица време. Така че, чрез преброяване на вълните е възможно да се измерва времето.) Всъщност официалната мярка на дължината на секунда се определя от честотата, необходима за преминаването на електроните между две специфични енергийни нива в атом на цезий.
В атомния часовник честотата на кварцовия осцилатор се трансформира в честота, която се прилага към група атоми. Ако произведената честота е точна, това ще накара много електрони в атомите да променят енергийните си нива. Ако честотата е неточна, много по-малко електрони ще прескочат в по-горно ниво. Това ще определи дали кварцовият осцилатор е извън честотата и с колко. "Корекцията", определена от атомите, може да бъде приложена към кварцовия осцилатор, за да го насочи обратно към правилната честота. Този тип корекция се изчислява и се прилага към кварцовия осцилатор на всеки няколко секунди в атомния часовник Deep Space.
Точността на атомния часовник зависи от два фактора. Първият фактор е температурата на атомите на пробата - по-студените атоми се движат много по-бавно, позволявайки измерването на по-дълги времеви интервали. Вторият фактор е честотата и ширината на спектралната област, при която се извършват преходи на електроните между две състояния. Колкото е по-тясна тази област и колкото са по-високи честотите, толкова е по-точен атомният часовник.
Какво е уникалното за Deep Space Atomic Clock?
Атомните часовници се използват на борда на GPS сателити, които обикалят около Земята, но дори и те трябва да се сверяват два пъти на ден, за да се коригира естественото изоставане на часовниците. Тези актуализации идват от по-стабилни атомни часовници на земята, които са големи (често с размерите на хладилник) и не са предназначени да оцеляват в условията на космоса.
Новият атомен часовник на НАСА Deep Space Atomic Clock е до 50 пъти по-стабилен от атомните часовници на GPS спътниците. Той ще бъде най-стабилният атомен часовник, който някога е бил в космоса. Тази стабилност се постига чрез използване на живачни йони.
Йоните са атоми, които имат някакъв електрически заряд, а не са електрически неутрални. Във всеки атомен часовник измерващите атоми се поставят във вакуумна камера, но в някои от тези часовници атомите взаимодействат със стените на вакуумната камера. Промените в околната среда, като температурата също ще предизвикат промени в атомите и ще доведат до честотни грешки. Много атомни часовници използват неутрални атоми, но тъй като живачните йони имат електрически заряд, те могат да се държат в електромагнитен "капан", за да се предотврати това взаимодействие, което позволява на атомния часовник Deep Space да постигне ново ниво на точност.
За мисии към отдалечени цели като Марс или други планети, такава прецизност прави възможна автономната навигация с минимална комуникация към и от Земята - огромно подобрение в начина, по който в момента се управляват космическите кораби.
Атомният часовник на НАСА Deep Space Atomic Clock ще лети в продължение на година на борда на сателит, който стартира с ракетата на SpaceX Falcon Heavy с около двайсетина други сателита на правителствени, военни и изследователски институции.
Стартът е насочен в 23:30 ч. EDT в понеделник, 24 юни, (на 25 юни 2019 г. в 6:30 българско време) от космическия център „Кенеди” на НАСА във Флорида.
Video file: NASA's Deep Space Atomic Clock to Launch on SpaceX Falcon Heavy Rocket from JPLraw on Vimeo.
Източник: What Is an Atomic Clock?, NASA
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари