Deep Space Atomic Clock
Die Deep Space Atomic Clock (DSAC; englisch für Weltraum-Atomuhr) ist eine hochpräzise Quecksilberionen-Atomuhr, welche genutzt wurde, um die Funknavigation von Raumfahrzeugen im Weltraum zu verbessern. Die DSAC ist die erste Atomuhr, die entwickelt wurde, um an Bord eines Raumfahrzeugs zu arbeiten, das außerhalb der Erdumlaufbahn ist. Dementsprechend ist die Uhr vergleichsweise klein und hat etwa die Größe eines Toasters, dennoch ist sie extrem genau.[1] Die Uhr verliert innerhalb von 10 Millionen Jahren ungefähr eine Sekunde an Genauigkeit. Damit ist sie um ein Vielfaches stabiler als die Uhren die zurzeit in Satelliten genutzt werden. Die Mission der Deep Space Atomic Clock wurde vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena geleitet,[2] und gehört zum U.S. Air Forces Space Test Program 2 (STP-2).[3]
| Deep Space Atomic Clock | |
|---|---|
| Phase: F / Status: beendet | |
 Einblick in die Deep Space Atomic Clock | |
| Typ: | Atomuhr |
| Land: | USA |
| Organisation: | NASA, Jet Propulsion Laboratory, SpaceX, General Atomics |
| COSPAR-Bezeichnung: | 2019-036C |
| Missionsdaten | |
| Startdatum: | 25. Juni 2019 |
| Startplatz: | KSC |
| Trägerrakete: | Falcon Heavy |
| Missionsdauer: | 2 Jahre und 26 Tage |
| Enddatum: | 18. September 2021 |
| Allgemeine Raumfahrzeugdaten | |
| Startmasse: | 17,5 kg |
| Abmessungen: | 29 × 26 × 23 cm |
| Volumen: | 17,3 cm³ |
| Hersteller: | Jet Propulsion Laboratory |
| Spezifische Raumfahrzeugdaten | |
| Elektrische Leistung: | 44 Watt |
| Nutzlastdaten | |
| Satellitenbus | Orbital Test Bed (OTB) |
Die DSAC wurde am 25. Juni 2019 an Bord einer SpaceX Falcon Heavy vom Kennedy Space Center in den Weltraum geschickt. Nach wochenlangen Tests im Orbit wurde sie am 23. August von den NASA-Ingenieuren aktiviert.[4] Die Mission wurde am 18. September 2021 nach über zwei Jahren beendet.[5]
Funktionsweise
Atomuhren ermitteln die Zeit durch Messen der Schwingungen eines Quarzkristalls. Ein elektrischer Impuls wird durch den Quarz geschickt, sodass er gleichmäßig vibriert. Diese kontinuierliche Vibration wirkt wie ein Pendel und zeigt an, wie viel Zeit vergangen ist. Eine Atomuhr verwendet Atome, um bei ihren Messungen der Quarzschwingungen eine hohe Präzision zu erhalten. Die Länge einer Sekunde wird durch die Lichtfrequenz gemessen, die von bestimmten Atomen abgegeben wird. Atome in derzeitigen Uhren können jedoch empfindlich auf externe Magnetfelder und Temperaturänderungen reagieren. Die Deep Space Atomic Clock verwendet eine sehr geringe Menge Quecksilberionen, die in elektromagnetischen Fallen enthalten sind, die wiederum durch Magnetfelder geschützt werden, um Störungen, einschließlich Temperatur- und Magnetschwankungen, zu vermeiden. Die Verwendung eines internen Geräts zur Steuerung der Ionen macht sie weniger anfällig für äußere Kräfte.[2] Das Herzstück der Uhr ist eine kleine Wolke dieser Quecksilberionen. Von der Uhr erzeugte Mikrowellenimpulse mit einer Hyperfeinübergangsfrequenz von 40,5 GHz[4] werden in die Wolke geleitet, und einige der Ionen reagieren darauf, indem sie ihren Energiezustand ändern. Die Anzahl der Ionen, die ihren Zustand ändern, hängt davon ab, wie nahe der Mikrowellenimpuls an der richtigen Frequenz liegt. Durch Messen dieser Zahl kann ein Frequenzfehler berechnet und zur Korrektur der Frequenz eines Quarzoszillators verwendet werden, der in die Uhr integriert ist. Dieses Design vermeidet Laser, Kryotechnik oder Mikrowellenhohlräume und ermöglicht dadurch ein kleines und robustes Gerät, das weniger als 50 W Leistung verbraucht.[6] Außerdem ist die Uhr nicht auf Verbrauchsmaterialien angewiesen, um zu funktionieren. Aufgrund der überaus hohen Präzision der Uhr, ist sie laut Guinness World Records die genauste Uhr im Weltall, sowie die erste Uhr, die eine solche Genauigkeit vorweisen kann.[7]
Mission
Zweck
Heutzutage wird im Weltraum navigiert, indem man Antennen auf der Erde verwendet, um Signale an Raumschiffe zu senden, die diese Signale dann zurück zur Erde senden. Atomuhren auf der Erde messen dann die Zeit, die ein Signal für diese Hin- und Rückreise benötigt. Dann kann das Bodenpersonal auf der Erde dem Raumschiff mitteilen, wo es sich befindet und wohin es sich bewegen soll. Diese Navigationsmethode bedeutet, dass Raumfahrzeuge, egal wie weit eine Mission im Sonnensystem entfernt ist, immer noch mit dem Boden verbunden sind und auf Befehle von unserem Planeten warten müssen. Diese Einschränkung wirft Probleme für eine zukünftige bemannte Mission zu einem anderen Planeten auf.[1] Das heißt, dass für Roboter auf dem Mars oder an weiter entfernten Zielen sich das Warten auf die Signale für die Reise schnell zu mehreren zehn Minuten oder sogar Stunden summieren kann.[8] Auch wenn bodengestützte Atomuhren sehr genau sind, sind ihre Designs zu sperrig und empfindlich gegenüber den Bedingungen im Weltraum, um für die Raumfahrt praktikabel zu sein.[9] Um das Sonnensystem zu erforschen, braucht man einen besseren und schnelleren Weg für die Astronauten an Bord eines Raumfahrzeugs, um zu wissen, wo sie sich befinden, idealerweise ohne Signale zur Erde zurücksenden zu müssen.[2]
Die DSAC dient dazu, autonomere Navigationssysteme im Weltraum zu erforschen. Raumschiffe hätten also ein eigenes GPS-basiertes System. Um dies zu erreichen, konzentriert sich die Mission auf die Stabilität der Uhr und ihre Fähigkeit, die Zeit über lange Zeiträume hinweg konstant zu messen, während sie in der Weltraumumgebung arbeitet. Je stabiler eine Uhr ist, desto länger kann sie ohne Hilfe von der Erde arbeiten. Außerdem soll sie zeigen, dass neue Technologie zuverlässig im Weltraum funktionieren kann. Solche Technologien sollen später in normalen Missionen integriert werden.[10]
Ablauf
Das Instrument befand sich auf dem Orbital Test Bed von General Atomics, das am 25. Juni 2019 an Bord einer Falcon Heavy, im Auftrag für die Weltraumtestprogramm-2-Mission des US-Verteidigungsministeriums, gestartet wurde.[11] Das OTB beherbergte mehrere Nutzlasten. Dazu gehörte unter anderem die DSAC.[12] In weniger als einem Jahr Betrieb hat die Mission ihr primäres Ziel erreicht, eine der stabilsten Uhren zu werden, die jemals im Weltraum geflogen sind. Sie ist jetzt mindestens zehnmal stabiler als Atomuhren, die auf GPS-Satelliten geflogen werden. Um das System weiter zu testen, hat die NASA die Mission bis August 2021 verlängert. Das Team hat die zusätzliche Missionszeit nutzen, um die Daten zur Stabilität der Uhr weiter zu sammeln.[13] Und im September 2021, mehr als zwei Jahre nach dem Beginn der Mission, wurde der Satellit der Uhr abgeschaltet, was das Ende der Mission war.[14]
Ergebnisse
Die Ergebnisse wurden in einer Publikation in der Zeitschrift Nature, die am 30. Juni 2021 in der Zeitschrift veröffentlicht wurde, festgehalten. Dort wird berichtet, dass Weltraum-Atomuhren mit geringer Instabilität zwar eine grundlegende Technologie für die globale Navigation seien, sie jedoch noch nicht auf die Weltraumnavigation angewendet worden seien. Daher wurden diese bis jetzt nur begrenzt angewendet.[15] In dem neuen Paper wird außerdem über die Fortschritte bei der Arbeit zur Verbesserung der Fähigkeit von weltraumgestützten Atomuhren, die Zeit über lange Zeiträume konsistent zu messen, geschrieben. Das Team berichtet von einer Stabilität, die nach mehr als 20 Betriebstagen zu einer Abweichung von weniger als vier Nanosekunden führt. Die Stabilität und die daraus resultierende Verzögerung sind etwa fünfmal besser als die, die das Team im Frühjahr 2020 gemeldet hat. Dies stellt keine Verbesserung der Uhr selbst dar, sondern der Messung der Stabilität der Uhr durch das Team. Längere Betriebszeiten und fast ein ganzes Jahr zusätzliche Daten haben es ermöglicht, die Genauigkeit ihrer Messung zu verbessern.[16]
Seit Beginn der DSAC-Mission hat die Uhr an Bord des Satelliten, laut General Atomics, mehr als 12.000 Erdumrundungen mit einer Gesamtlänge von mehr als 850.000.000 Kilometer absolviert.[17]
Deep Space Atomic Clock-2
Die NASA kündigte an, dass die Arbeit an dieser Technologie weitergeht. Die Deep Space Atomic Clock-2, eine verbesserte Version des ersten Modells, wird mit der VERITAS (kurz für Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography, and Spectroscopy) ins All geschickt. Wie bei ihrem Vorgänger ist das Ziel der neuen Weltraumuhr, die Fähigkeiten im Weltraum zu verbessern. Das vom JPL geleitete und vom Space Technology Mission Directorate (STMD) der NASA finanzierte Projekt könnte dazu beitragen, die autonome Navigation von Raumfahrzeugen zu ermöglichen und die radiowissenschaftlichen Beobachtungen bei zukünftigen Missionen zu verbessern.[8] Diese nächste Version wird kleiner sein, weniger Strom verbrauchen und so konzipiert sein, dass sie eine mehrjährige Mission wie VERITAS unterstützt. Die Deep Space Atomic Clock-2, wird 2028 mit der VERITAS-Mission zur Venus fliegen.[18]
Weblinks
Einzelnachweise
- https://jpl.nasa.gov: How an Atomic Clock Will Get Humans to Mars on Time. Abgerufen am 25. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).
- Tony Greicius: Five Things to Know about NASA's Deep Space Atomic Clock. 3. Juni 2019, abgerufen am 13. Januar 2022.
- Leonard David published: Spacecraft Powered by 'Green' Propellant to Launch in 2017. 13. April 2016, abgerufen am 13. Januar 2022 (englisch).
- NASA switches on rugged Deep Space Atomic Clock. 28. August 2019, abgerufen am 10. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).
- Jet Propulsion Laboratory: Working overtime: NASA's deep space atomic clock completes mission. Abgerufen am 13. Januar 2022 (englisch).
- Rachel Berkowitz: Ion Clock Makes Maiden Space Voyage. In: Physics. Band 14, 2. Juli 2021 (aps.org [abgerufen am 27. Januar 2022]).
- Most accurate clock in space. Abgerufen am 25. Januar 2022 (deutsch).
- Inside GNSS: Deep Space Atomic Clock Moves Toward Increased Spacecraft Autonomy. In: Inside GNSS - Global Navigation Satellite Systems Engineering, Policy, and Design. 16. Juli 2021, abgerufen am 23. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).
- Lee Mohon: Deep Space Atomic Clock (DSAC). 20. Mai 2015, abgerufen am 13. Januar 2022.
- https://jpl.nasa.gov: NASA Extends Deep Space Atomic Clock Mission. Abgerufen am 13. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).
- Jet Propulsion Laboratory: Working overtime: NASA's deep space atomic clock completes mission. Abgerufen am 23. Januar 2022 (englisch).
- General Atomics Completes Ready-For-Launch Testing of Orbital Test Bed Satellite. Abgerufen am 26. Januar 2022 (englisch).
- Naomi Hartono: NASA Extends Deep Space Atomic Clock Mission. 24. Juni 2020, abgerufen am 25. Januar 2022.
- Katrina Miller: This Atomic Clock Will Transform Deep Space Exploration. In: Wired. ISSN 1059-1028 (wired.com [abgerufen am 25. Januar 2022]).
- India Today Web Desk New DelhiJuly 1, 2021UPDATED: July 1, 2021 13:14 Ist: Explained: What is Deep Space Atomic Clock that can boost future space travel. Abgerufen am 27. Januar 2022 (englisch).
- Jet Propulsion Laboratory: Deep Space Atomic Clock to Improve GPS, Increase Spacecraft Autonomy. In: SciTechDaily. 3. Juli 2021, abgerufen am 26. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).
- General Atomics Completes Successful NASA Deep Space Atomic Clock Mission. Abgerufen am 26. Januar 2022 (englisch).
- Deep Space Atomic Clocks Will Improve Future Space Missions | NextBigFuture.com. Abgerufen am 23. Januar 2022 (amerikanisches Englisch).