V rámci testů technologií, které mají zlepšit schopnosti navigace kosmických sond, se technologickému demonstrátoru podařilo fungovat déle, než se čekalo. Kromě toho také překonal dosavadní rekord ve stabilitě atomových hodin v kosmickém prostoru. Více než dva roky americký projekt Deep Space Atomic Clock posouval hranice možností měření času v kosmickém prostoru. Testovací zařízení startovalo společně s dalšími náklady v rámci mise STP-2 pod hlavičkou ministerstva obrany 25. června 2019 na raketě Falcon Heavy. Cíl projektu se dal popsat vcelku stručně: otestovat možnost využití palubních atomových hodin ke zlepšení navigace kosmických lodí v hlubokém vesmíru.

Aktuální kosmické sondy spoléhají na pozemské atomové hodiny. Ke změření dráhy objektu, který míří za oběžnou dráhu Měsíce, použijí časová měření k přesnému určení, kdy byly tyto signály odeslány a přijaty. Jelikož víme, že radiové signály cestují vakuem rychlostí světla (cca 300 000 km/s), mohou využít tyto údaje k výpočtu přesné vzdálenosti sondy od Země a z dalších měření také její směr a rychlost cesty. Jenže čím dál je sonda od Země, tím déle trvá signálu jeho cesta. Z minut se tak stávají hodiny, což významně zpožďuje tyto výpočty. Pokud by se využily palubní atomové hodiny spárované s navigačním systémem, mohla by sonda okamžitě vypočítat, kde se nachází a kam míří.

Jet Propulsion Laboratory z jižní Kalifornie proto postavila zmíněné zařízení Deep Space Atomic Clock, což jsou ultrapřesné atomové hodiny využívající ionty rtuti uložené do malého boxu, jehož strana měří zhruba 25 centimetrů. Při návrhu se kladl důraz nejen na odolnost drsným podmínkám při startu, ale i chladu a kosmickému záření na oběžné dráze. Žádný z těchto vnějších vlivů přitom nesměl ovlivnit extrémně vysokou přesnost měření. Deep Space Atomic Clock byl technologický demonstrátor, který měl jednak získat několik technologických prvenství a také zaplnit mezery v dosavadních znalostech.

Poté, co přístroj dokončil svou plánovanou rok trvající misi, se NASA rozhodla, že využije navazující prodloužené mise. Bylo tak možné nasbírat více dat a lépe porozumět mimořádné stabilitě měření. Až do chvíle, kdy byl přístroj 18. září vypnut, získával cenná data a až do úplného konce pomáhal vědecké komunitě nabrat co nejvíc znalostí. „Mise Deep Space Atomic Clock byla mimořádně úspěšná. Nejlepší na tom je, že tento technologický demonstrátor správně fungoval i po překonané době plánované životnosti,“ uvedl Todd Elly, hlavní vědecký pracovník a projektový manažer z JPL.

Získaná cenná data z úspěšného demonstrátoru pomohou vyvinout nástupce – Deep Space Atomic Clock 2. Tohle zařízení má letět k Venuši na sondě VERITAS (Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography & Spectroscopy), která by měla startovat kolem roku 2028. Půjde o historicky první zkoušku atomových hodin v hlubokém vesmíru a také o ohromný technologický pokrok na dlouhé cestě ke zvýšení autonomie kosmických sond. Stejně jako jeho předchůdce, bude Deep Space Atomic Clock 2 technologickým demonstrátorem. To znamená, že sonda VERTIAS na něj nebude spoléhat, aby splnila cíle své mise. Avšak tato nová verze bude menší, klesne její energetická spotřeba a bude navržena na to, aby zvládla několikaletou misi sondy VERITAS.

Ačkoliv jsou atomové hodiny nejstabilnějším prostředkem měření času na naší planetě, stále je trápí určitá nestabilita, která může způsobit nepatrné odchylky mezi tím, co přístroj měří a jaký čas ve skutečnosti je. Pokud by tyto odchylky nebyly korigovány, postupně by se sčítaly a nakonec vedly k velkým rozdílům ve výpočtech polohy. Zlomek sekundy totiž může rozhodovat o tom, zda sonda bezpečně doletí k Marsu, nebo zda planetu úplně mine.

Je však možné ze Země k sondě posílat aktualizace, které korigují tyto odchylky. Například navigační družice nesou atomové hodiny, díky kterým se řidiči mohou dostat z bodu A do bodu B. Aby bylo jisté, že tyto hodiny měří čas přesně, je potřeba k nim často přenášet aktualizace z pozemních středisek. Ovšem posílání takto častých aktualizací nějaké sondě v hlubokém vesmíru by nebylo praktické a ve výsledku by se tím vlastně vymazal důvod, proč tam ty hodiny jsou. Právě proto se pracuje na atomových hodinách pro sondy do hlubokého vesmíru, které musí být co nejpřesnější, aby byly méně závislé na aktualizacích ze Země.

„Deep Space Atomic Clock tento cíl splnil,“ raduje se Eric Burt z JPL, který působil na této misi jakožto fyzik a dodává: „Dosáhli jsme nového rekordu v dlouhodobé stabilitě atomových hodin v kosmickém prostoru. Jsme více než o řád přesnější než atomové hodiny na družicích GPS. To znamená, že máme stabilitu, která umožní misím v hlubším vesmíru větší autonomii a možná jednou i družice GPS budou méně závislé na aktualizacích dvakrát denně, tedy pokud by nesly náš přístroj.“ V rámci nedávné studie se tým zodpovědný za Deep Space Atomic Clock pochlubil, že zaznamenaná odchylka byla po 20 dnech provozu méně než 4 nanosekundy.

„Je to pozoruhodný úspěch celého týmu. Technologický demonstrátor prokázal, že se jedná o robustní systém pro použití na oběžné dráze. Nyní se těšíme, až se jeho vylepšená verze dostane k Venuši,“ říká Trudy Kortes, ředitelka technologických demonstrací z Ředitelství vědeckých a technologických misí NASA (STMD) v ústředí NASA ve Washingtonu a dodává: „Tohle je to, co NASA dělá. Vyvíjíme nové technologie a zlepšujeme ty stávající, abychom posunuli pilotovanou i nepilotovanou kosmonautiku. Deep Space Atomic Clock má skutečný potenciál změnit způsob, jakým prozkoumáváme hluboký vesmír.“ Jason Mitchell, ředitel Oddělení pokročilých komunikačních a navigačních technologií, které spadá pod sekci vesmírné komunikace a navigace (SCaN) v ústředí agentury NASA tato slova potvrzuje: „Výsledky přístroje byly skutečně výjimečné, což svědčí o schopnostech týmu. Do budoucna přinesou atomové hodiny pro hluboký vesmír jednak nové schopnosti pro pilotované i nepilotované americké průzkumné mise, ale mohou také umožnit hlubší zkoumání základních fyzikálních principů relativity, podobně jako to udělaly hodiny na družicích GPS.“

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/1_dsac-satellite.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/3_dsac-launch.jpg
https://www.jpl.nasa.gov/images/asteroid/20150930/veritas20150930.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/2_pia24573_dsac-toaster.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/atomic_clock_artist_render.png