Ieri mattina presto, la NASA ha lanciato in orbita un razzo SpaceX Falcon Heavy con un miscuglio di missioni scientifiche a bordo. Uno dei payload più intriganti è stato un orologio, che si sposterà per circa un anno mentre gira intorno al pianeta. Ma questo non è un normale orologio: il Deep Space Atomic Clock è una tecnologia che potrebbe rendere la navigazione nello spazio profondo molto più facile in futuro.
Kasandra Brabaw su Space.com riferisce che la maggior parte delle sonde inviate nel cosmo sono rintracciate dalla Terra tramite onde radio, che viaggiano alla velocità della luce. Un segnale viene inviato dalla Terra e immediatamente ripreso al controllo della missione, consentendo ai gestori della sonda di calcolare la sua posizione esatta in base al tempo impiegato dal segnale per raggiungerli. Tale processo si basa sulla Deep Space Network della NASA, una serie di antenne radio in grado di gestire così tanto traffico spaziale in qualsiasi momento.
Se le sonde avessero gli orologi abbastanza stabili e precisi da consentire loro di tracciare il proprio percorso, tuttavia, avrebbero potuto fare parte di quella navigazione autonomamente, riferisce Jonathan Amos alla BBC.
"La navigazione autonoma a bordo significa che un veicolo spaziale può eseguire la propria navigazione in tempo reale senza attendere che le indicazioni vengano inviate dai navigatori qui sulla Terra", ha recentemente dichiarato il vice investigatore principale Jill Seubert ai giornalisti in una conferenza stampa. L'astronave “a guida autonoma” è anche una parte fondamentale per mettere gli umani su Marte. "E con questa capacità, un veicolo spaziale a equipaggio umano può essere consegnato in sicurezza a un sito di atterraggio con meno incertezza sul suo percorso."
Ma anche il Rolex più bello non lo taglierà nello spazio. I cristalli di quarzo oscillano ad una frequenza regolare quando la corrente elettrica li attraversa, motivo per cui sono abituati negli orologi per tenere traccia del tempo. Sono abbastanza precisi quando si tratta di alzarsi per lavoro o prendere un treno, ma non sono abbastanza precisi da soli per navigare nello spazio profondo. Possono perdere un millesimo di secondo nel corso di sei settimane, il che sarebbe disastroso per una sonda spaziale.
Per ottenere la precisione del miliardesimo di secondo necessaria per volare attraverso il cosmo richiede un orologio atomico, un gadget che allena il suo cristallo di quarzo alle oscillazioni di alcuni atomi. Gli elettroni attorno a questi atomi occupano livelli di energia o orbite distinti e ci vuole una scossa precisa di elettricità per farli saltare al livello di energia successivo. "Il fatto che la differenza di energia tra queste orbite sia un valore così preciso e stabile è davvero l'ingrediente chiave per gli orologi atomici", afferma Eric Burt, un fisico di orologi atomici presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, in un comunicato stampa. "È la ragione per cui gli orologi atomici possono raggiungere un livello di prestazioni oltre gli orologi meccanici".
In un orologio atomico, la frequenza dell'oscillatore al quarzo è ottimizzata per abbinare l'energia necessaria per far scoppiare gli elettroni a un nuovo livello di energia. Quando il quarzo vibra alla giusta frequenza, gli elettroni salteranno al livello di energia successivo. In caso contrario, l'orologio sa che la frequenza è disattivata e può correggersi, un processo che si verifica ogni pochi secondi.
Attualmente, la maggior parte degli orologi atomici terrestri ha le dimensioni di un frigorifero. Entra nel Deep Space Atomic Clock, con il quale gli ingegneri della NASA hanno armeggiato per quasi 20 anni. Il gadget, delle dimensioni di un tostapane, utilizza ioni di mercurio carichi per mantenere vero il suo oscillatore al quarzo e perde solo circa un nanosecondo in quattro giorni. Ci vorranno circa 10 milioni di anni perché l'orologio si spenga di un secondo, rendendolo circa 50 volte più stabile rispetto agli orologi precisi utilizzati nella navigazione satellitare GPS.
L'orologio è attualmente in orbita terrestre bassa e si accenderà tra quattro o sette settimane. Dopo tre o quattro settimane di attività, i ricercatori analizzeranno le sue prestazioni preliminari e daranno un verdetto finale su come funziona nello spazio dopo aver ingrandito il pianeta per circa un anno.
Se l'orologio è abbastanza stabile, secondo un'affermazione della NASA, potrebbe iniziare a comparire nei veicoli spaziali negli anni '30. Sia che questa versione sopravviva o meno, gli orologi atomici o una tecnologia simile saranno fondamentali nelle future missioni spaziali su altri mondi.
"L'orologio atomico Deep Space avrà la capacità di aiutare nella navigazione, non solo a livello locale, ma anche su altri pianeti", afferma Burt. "Un modo di pensarci è come se avessimo il GPS su altri pianeti."
Altri esperimenti che sono entrati in orbita con l'orologio includono la Green Propellant Infusion Mission, che sta testando un sistema che utilizza carburante spaziale non tossico ad alte prestazioni, e l'Esperimento tandem beacon avanzato, che esplorerà le bolle negli strati caricati elettricamente dell'atmosfera terrestre che a volte può interferire con i segnali GPS.
