Gisterenochtend vroeg lanceerde NASA een SpaceX Falcon Heavy-raket in een baan met een mengelmoes van wetenschapsmissies aan boord. Een van de meest intrigerende payloads was een klok, die ongeveer een jaar mee tikt als hij de planeet rondcirkelt. Maar dit is geen gewone klok: de Deep Space Atomic Clock is een technologie die het navigeren in de verre ruimte in de toekomst veel gemakkelijker zou kunnen maken.
Kasandra Brabaw op Space.com meldt dat de meeste sondes die naar de kosmos worden gestuurd vanaf de aarde worden gevolgd via radiogolven, die met lichtsnelheid reizen. Een signaal wordt vanaf de aarde verzonden en onmiddellijk teruggestuurd naar missiecontrole, waardoor de handlers van de sonde zijn exacte positie kunnen berekenen op basis van hoe lang het duurde voordat het signaal hen bereikte. Dat proces is afhankelijk van NASA's Deep Space Network, een reeks radio-antennes die slechts zoveel ruimteverkeer op een bepaald moment aankan.
Als de sondes klokken stabiel en nauwkeurig genoeg hadden om hun eigen koers te bepalen, konden ze echter een deel van die navigatie autonoom doen, meldt Jonathan Amos bij de BBC.
"Autonome navigatie aan boord betekent dat een ruimtevaartuig zijn eigen navigatie in realtime kan uitvoeren zonder te wachten op aanwijzingen van navigators hier op aarde, " vertelde plaatsvervangend hoofdonderzoeker Jill Seubert recent tegen verslaggevers tijdens een persconferentie. 'Zelfrijdende' ruimtevaartuigen zijn ook een belangrijk onderdeel van het op Mars zetten van mensen. "En met deze mogelijkheid kan een ruimteschip met bemanning veilig worden afgeleverd op een landingsplaats met minder onzekerheid op hun pad."
Maar zelfs de leukste Rolex zal het niet in de ruimte snijden. Kwartskristallen oscilleren op een regelmatige frequentie wanneer er elektrische stroom doorheen stroomt, daarom zijn ze gewend in klokken om de tijd bij te houden. Ze zijn precies genoeg als het gaat om opstaan voor het werk of het nemen van een trein, maar ze zijn lang niet voldoende nauwkeurig om in diepe ruimte te navigeren. Ze kunnen een volle milliseconde verliezen in de loop van zes weken, wat rampzalig zou zijn voor een ruimtesonde.
Om de miljardste seconde precisie te krijgen die nodig is om door de kosmos te vliegen, is een atoomklok vereist, een gadget dat zijn kwartskristal traint naar de oscillaties van bepaalde atomen. De elektronen rond deze atomen bezetten verschillende energieniveaus of banen, en er is een precieze schok van elektriciteit voor nodig om ze naar het volgende energieniveau te laten springen. "Het feit dat het energieverschil tussen deze banen zo'n nauwkeurige en stabiele waarde is, is echt het belangrijkste ingrediënt voor atoomklokken, " zegt Eric Burt, een fysicus van atoomklok bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA, in een persbericht. "Het is de reden dat atomaire klokken een prestatieniveau kunnen bereiken dat verder gaat dan mechanische klokken."
In een atoomklok is de frequentie van de kwartsoscillator nauwkeurig afgestemd om de energie die nodig is om elektronen te laten knallen af te stemmen op een nieuw energieniveau. Wanneer het kwarts op de juiste frequentie trilt, springen de elektronen naar het volgende energieniveau. Als ze dat niet doen, weet de klok dat de frequentie is uitgeschakeld en kan deze zichzelf corrigeren, een proces dat om de paar seconden plaatsvindt.
Momenteel zijn de meeste terrestrische atoomklokken zo groot als een koelkast. Betreed de Deep Space Atomic Clock, waar NASA-technici al bijna 20 jaar mee sleutelen. De gadget, ongeveer de grootte van een broodrooster, gebruikt geladen kwikionen om zijn kwartsoscillator waar te houden en verliest slechts ongeveer één nanoseconde gedurende vier dagen. Het zou ongeveer 10 miljoen jaar duren voordat de klok een seconde uit staat, waardoor deze ongeveer 50 keer stabieler is dan de exacte klokken die worden gebruikt in GPS-satellietnavigatie.
De klok bevindt zich momenteel in een lage baan om de aarde en wordt binnen vier tot zeven weken ingeschakeld. Na drie tot vier weken werking zullen onderzoekers de voorlopige prestaties analyseren en een definitief oordeel vellen over hoe goed het werkt in de ruimte nadat het ongeveer een jaar op de planeet heeft ingezoomd.
Als de klok stabiel genoeg is, volgens een NASA-verklaring, zou deze tegen 2030 in ruimtevaartuigen kunnen verschijnen. Of deze versie nu overleeft of niet, atoomklokken of een vergelijkbare technologie zullen cruciaal zijn in toekomstige ruimtemissies naar andere werelden.
"De Deep Space Atomic Clock zal de mogelijkheid hebben om te helpen bij navigatie, niet alleen lokaal, maar ook in andere planeten, " zegt Burt. "Een manier om eraan te denken is alsof we GPS op andere planeten hebben."
Andere experimenten die in een baan met de klok zijn gegaan, zijn de Green Propellant Infusion Mission, die een systeem test dat krachtige, niet-giftige ruimtebrandstof gebruikt, en het Enhanced Tandem Beacon Experiment, dat bellen in de elektrisch geladen lagen zal verkennen van de aardatmosfeer die soms GPS-signalen kan storen.
