Atomové hodiny pro orientaci ve vesmíru

Ve vesmíru je přesné měření času extrémně důležité. Právě na těchto údajích stojí přesná navigace, ale ne všechny sondy mají na svých palubách zařízení, které to umožňují. Právě proto v Jet Propulsion Laboratory už více než 20 let vyvíjí hodiny – ale žádné náramkové nebo digitální. Tyhle hodiny v obchodě nekoupíte – jmenují se DSAC (Deep Space Atomic Clock – atomové hodiny pro hluboký vesmír) a jedná se o přístroj, který je určen (jak již jeho název napovídá) k letům do hlubšího vesmíru.

V současné době spoléhá většina misí na pozemské antény spárované s atomovými hodinami. Tyto antény vysílají do vesmíru vstříc sondě úzce zaostřený signál, který sonda obratem posílá zpět. NASA pak vypočítá časový rozdíl mezi okamžikem odeslání signálu a přijetím odpovědi. Z toho se pak vypočítá pozice sondy, její rychlost i dráha.

DSAC po integraci do družice General Atomics Orbital Test Bed

DSAC po integraci do družice General Atomics Orbital Test Bed
Zdroj: https://www.nasa.gov

Metoda je to spolehlivá, ale ne zrovna efektivní. Pozemní stanice totiž musí čekat, až jí sonda odpoví, takže jedna stanice může v jednu chvíli monitorovat pozici pouze jedné sondy. Sonda pak musí čekat na navigační pokyny odeslané ze Země místo toho, aby mohla sama udělat nějaká rozhodnutí v reálném čase. „Navigace ve vesmíru vyžaduje měření ohromných vzdáleností s využitím našich znalostí o šíření signálů vesmírem,“ vysvětluje Todd Ely z JPL, který stojí v čele vědeckého týmu DSAC a dodává: „Pro přesnou navigaci potřebujeme přesnost na jeden metr. Jelikož se signály šíří rychlostí světla, znamená to, že musíme měřit čas s přesností na několik nanosekund. Atomové hodiny se k tomuto účelu na zemi používají již desítky let zcela běžně. Projekt DSAC si klade za cíl dostat je do vesmíru.“

Program DSAC by měl příštím americkým misím umožnit velmi přesně měřit čas přímo na palubě. Sonda s takovým vybavením by už nemusela spoléhat na obousměrnou cestu signálu. Stačil by jí pouze signál odeslaný ze Země a palubní počítač by si už svou pozici vypočítal sám, takže by nemusel odesílat signál na Zemi a čekat na pokyny, což může trvat i několik hodin. Nový systém by tak umožnil mnohem efektivnější řízení misí, přesnější manévrování i pohotovější reakce na nečekané situace.

Stavba družice General Atomics Orbital Test Bed s integrovaným systémem DSAC.

Stavba družice General Atomics Orbital Test Bed s integrovaným systémem DSAC.
Zdroj: https://www.nasa.gov

Výhoda by přišla i pro pozemní stanice, které by byly schopné najednou sledovat i několik sond – třeba v okolí Marsu, kde funguje hned několik průzkumníků. Za určitých podmínek by tato nová metoda mohla dosahovat až pětkrát vyšší přesnosti dat o poloze, než tradiční přístup. DSAC je prototyp malých a lehkých atomových hodin, který je založený na principu pasti iontů rtuti. Kupříkladu atomové hodiny, které jsou na pozemních stanicích systému Deep Space Network mají rozměry srovnatelné s ledničkou. Je tedy jasné, že pro použití ve vesmíru bude potřeba jejich rozměry výrazně zmenšit. DSAC již nyní dosáhl značné miniaturizace – NASA zřejmě chce zachovat kuchyňské téma a proto jej přirovnává k toustovači. Inženýři navíc tvrdí, že v případě potřeby by se dal celý systém ještě o něco zmenšit.

Zařízení již má hotové laboratorní zkoušky a je tedy čas posunout testování této technologie na vyšší úroveň – na oběžnou dráhu. Tady DSAC použije signály amerických navigačních družic systému GPS. U těchto družic velmi přesně známe jejich oběžné dráhy i nastavení jejich palubních hodin, což poslouží k ověření výkonu nového systému DSAC. Demonstrační mise má potvrdit, že nový systém dokáže udržet časovou odchylku menší než dvě nanosekundy (0,000000002 s) za den.

Kreslené porovnání současného a budoucího systému určování pozic. družic ve vesmíru.

Kreslené porovnání současného a budoucího systému určování pozic. družic ve vesmíru.
Zdroj: https://62e528761d0685343e1c-f3d1b99a743ffa4142d9d7f1978d9686.ssl.cf2.rackcdn.com

Jakmile bude mít DSAC za sebou ověření funkčnosti, bude možné jeho technologii nabídnout vědeckým sondám. Ty se tak mohou těšit na vylepšení mnoha faktorů – zvýší se množství trackovacích dat a zlepší se i jejich kvalita. Pokud se DSAC spojí s palubní rádiovou navigací, bude zajištěno, že budoucí průzkumné mise budou mít přesnou navigaci. To se týká i pilotovaných misí k Měsíci a dál.

Technologie na DSAC navíc pomohou vylepšit stabilitu hodin na družicích GPS a i díky tomu se zlepší služby tohoto celosvětově používaného systému. Laboratorní měření ukazují, že DSAC může být až 50× stabilnější než atomové hodiny na současných družicích GPS. Tento systém je tak bez přehánění nejpřesnějším zařízením pro měření času pro provoz ve vesmíru. S přihlédnutím k malým rozměrům jde skutečně o zázrak techniky.

Asi se ptáte, kdy se tento exemplář podívá do vesmíru. DSAC bude součástí větší družice označované General Atomic’s Orbital Test Bed. Kdy a na čem ale poletí? Všichni máme v živé paměti úterní premiérový let Falconu Heavy a právě tento nosič se postará o vynesení tohoto zařízení. Půjde o misi označovanou Space Technology Program (STP-2), kterou bude mít pod palcem americké letectvo. Tato mise ale ponese mnohem více různých nákladů včetně solární plachetnice Light Sail. Start této mise je naplánován na letošní rok, tak je jisté, že se máme na co těšit.

DSAC jakožto součást družice General Atomics Orbital Test Bed

DSAC jakožto součást družice General Atomics Orbital Test Bed
Zdroj: https://www.nasa.gov

Zdroje informací:
https://www.nasa.gov/
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/39/Deep_Space_Atomic_Clock-DSAC.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/image_3.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/image_2.jpg
https://62e528761d0685343e1c…/area14mp/image-20160223-16429-10eq5ad.png
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/image_1.jpg

Atomové hodiny pro orientaci ve vesmíru, 5.0 out of 5 based on 22 ratings
Pin It
(Visited 3 349 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (22 votes cast)
(Visited 3 349 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


14 komentářů ke článku “Atomové hodiny pro orientaci ve vesmíru”

  1. Kamil napsal:

    A jak je daleko navigace meziplanetárních sond pomocí pulsarů? Dají se ty hodiny použít i k tomu?

  2. Robert Gonda napsal:

    Našiel som malý preklep, vo vete „Pokud se DSAC stojí s palubní radiovou navigací…“ by malo byť „spojí…“.
    Inak vďaka za článok.

    • Radoslav Packa napsal:

      Na takéto upozornenie sa používa tento odkaz hneď pod článkom:
      Kontaktujte autora článku – hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky
      Nezanáša tak kvalitná diskusia pod člákom.

  3. Adam Trhoň napsal:

    Otázka. K zaměření družice na metr je potřeba měřit na nanosekundovou přesnost. Nové atomové hodiny budou mít odchylku menší než dvě nanosekundy za den, čili za dva tři dny už bude odchylka moc velká?

    • Tomáš Novák napsal:

      Ne, měří se čas mezi odesláním a přijetím zprávy. Družice odešle zprávu, pozemní stanice zaznamená čas přijetí a společně s časem odeslání ho odešle družici. Družice je potom schopná dopočítat svou polohu a její derivace (nemusí to dělat řídící středisko a odesílat údaje sondě). Družice měří čas mezi odchodem a příchodem zprávy. V případě, že by družice kroužila kolem Pluta by to bylo až 2×7 hodin (skoro) – tedy dostatečně krátký čas na přesné určení polohy.

      • Petr Šída napsal:

        Spíš bych ten princip viděl obráceně, ze země odešlou časovou značku a družice si spočítali diferenci

        • Tomáš Novák napsal:

          Jistě, ale po určité době právě nastává to, na co se ptal Adam Trhoň. Poté je třeba provést rekalibraci a k té slouží „odražený“ signál.

  4. MilanV napsal:

    Je určitě skvělé vyrobit nové (přesnější) hodiny, ale principiálně nejde použít na současných družicích ty z GPS družic? To mi není jasné. Už dnes a ihned by mohly používat ty ke své navigaci, ne?

Zanechte komentář