Seorang ilmuwan yang mengembangkan jam Atom Luar Angkasa tentang mengapa itu adalah kunci untuk misi ruang angkasa di masa depan.
DSAC sedang bersiap untuk percobaan selama setahun untuk mengkarakterisasi dan menguji kesesuaiannya untuk digunakan dalam eksplorasi ruang angkasa yang akan datang. Gambar melalui Laboratorium Jet Propulsion NASA
Oleh Todd Ely, NASA
Kita semua secara intuitif memahami dasar-dasar waktu. Setiap hari kita menghitung bagiannya dan menggunakannya untuk menjadwalkan hidup kita.
Kami juga menggunakan waktu untuk menavigasi jalan kami ke tujuan yang penting bagi kami. Di sekolah kami belajar bahwa kecepatan dan waktu akan memberi tahu kami seberapa jauh kami menempuh perjalanan dari titik A ke titik B; dengan peta kita dapat memilih rute yang paling efisien - sederhana.
Tetapi bagaimana jika titik A adalah Bumi, dan titik B adalah Mars - apakah masih sesederhana itu? Secara konseptual, ya. Tetapi untuk benar-benar melakukannya kita membutuhkan alat yang lebih baik - alat yang jauh lebih baik.
Di Jet Propulsion Laboratory NASA, saya sedang bekerja untuk mengembangkan salah satu alat ini: Deep Space Atomic Clock, atau singkatnya DSAC. DSAC adalah jam atom kecil yang dapat digunakan sebagai bagian dari sistem navigasi pesawat ruang angkasa. Ini akan meningkatkan akurasi dan mengaktifkan mode navigasi baru, seperti tanpa pengawasan atau otonom.
Dalam bentuk terakhirnya, Jam Atom Luar Angkasa akan cocok untuk operasi di tata surya jauh di luar orbit Bumi. Tujuan kami adalah untuk mengembangkan prototipe DSAC canggih dan mengoperasikannya di ruang angkasa selama satu tahun, menunjukkan penggunaannya untuk eksplorasi ruang angkasa dalam di masa depan.
Kecepatan dan waktu memberi tahu kita jarak
Untuk bernavigasi di luar angkasa, kami mengukur waktu transit sinyal radio yang bergerak bolak-balik antara pesawat ruang angkasa dan salah satu antena pemancar kami di Bumi (biasanya salah satu kompleks Jaringan Luar Angkasa NASA yang berlokasi di Goldstone, California; Madrid, Spanyol; atau Canberra, Australia).
Canberra Deep Space Communications Complex di Australia adalah bagian dari Deep Space Network NASA, menerima dan memasukkan sinyal radio ke dan dari pesawat ruang angkasa. Gambar melalui Jet Propulsion Laboratory
Kita tahu sinyal bergerak dengan kecepatan cahaya, konstan pada sekitar 300.000 km / detik (186.000 mil / detik). Kemudian, dari berapa lama pengukuran "dua arah" kami lakukan untuk pergi ke sana dan kembali, kita dapat menghitung jarak dan kecepatan relatif untuk pesawat ruang angkasa.
Misalnya, satelit yang mengorbit di Mars adalah rata-rata 250 juta kilometer dari Bumi. Waktu sinyal radio yang diperlukan untuk melakukan perjalanan ke sana dan kembali (disebut waktu cahaya dua arah) adalah sekitar 28 menit. Kita dapat mengukur waktu perjalanan sinyal dan kemudian menghubungkannya dengan jarak total yang dilalui antara antena pelacak bumi dan pengorbit lebih baik dari satu meter, dan kecepatan relatif pengorbit sehubungan dengan antena dalam waktu 0,1 mm / detik.
Kami mengumpulkan data jarak dan kecepatan relatif dari waktu ke waktu, dan ketika kami memiliki jumlah yang cukup (untuk pengorbit Mars ini biasanya dua hari) kami dapat menentukan lintasan satelit.
Mengukur waktu, jauh melampaui presisi Swiss
Yang mendasari pengukuran presisi ini adalah jam atom. Dengan mengukur frekuensi cahaya yang sangat stabil dan presisi yang dipancarkan oleh atom-atom tertentu (contohnya termasuk hidrogen, cesium, rubidium dan, untuk DSAC, merkuri), jam atom dapat mengatur waktu yang disimpan oleh jam mekanis (kristal kuarsa) yang lebih tradisional. Ini seperti garpu tala untuk ketepatan waktu. Hasilnya adalah sistem jam yang bisa sangat stabil selama beberapa dekade.
Ketepatan Jam Luar Angkasa Atom bergantung pada sifat bawaan dari ion merkuri - mereka bertransisi antara tingkat energi tetangga pada frekuensi tepat 40.5073479968 GHz. DSAC menggunakan properti ini untuk mengukur kesalahan dalam "tingkat centang" jam kuarsa, dan, dengan pengukuran ini, "mengarahkan" ke tingkat yang stabil. Stabilitas DSAC yang dihasilkan setara dengan jam atom di darat, memperoleh atau kehilangan kurang dari satu mikrodetik per dekade.
Melanjutkan dengan contoh pengorbit Mars, jam atom berbasis darat di kontribusi kesalahan Deep Space Network ke pengukuran waktu cahaya dua arah pengorbit ada di urutan picoseconds, hanya berkontribusi sebagian kecil dari satu meter untuk kesalahan jarak keseluruhan. Demikian juga, kontribusi jam terhadap kesalahan dalam pengukuran kecepatan pengorbit adalah fraksi yang sangat kecil dari keseluruhan kesalahan (1 mikrometer / detik dari total 0,1 mm / detik).
Pengukuran jarak dan kecepatan dikumpulkan oleh stasiun darat dan dikirim ke tim navigator yang memproses data menggunakan model komputer yang canggih dari gerakan pesawat ruang angkasa. Mereka menghitung lintasan paling cocok yang, untuk pengorbit Mars, biasanya akurat dalam jarak 10 meter (sekitar panjang bus sekolah).
Unit Demonstrasi DSAC (diperlihatkan dipasang di atas piring untuk memudahkan transportasi). Gambar melalui Jet Propulsion Laboratory
sebuah jam atom ke angkasa luar
Jam tanah yang digunakan untuk pengukuran ini adalah ukuran kulkas dan beroperasi di lingkungan yang dikontrol dengan cermat - jelas tidak cocok untuk spaceflight. Sebagai perbandingan, DSAC, bahkan dalam bentuk prototipe saat ini seperti yang terlihat di atas, adalah tentang ukuran pemanggang empat potong. Dengan desain, alat ini dapat beroperasi dengan baik di lingkungan yang dinamis di atas kapal penjelajahan luar angkasa.
Housing perangkap ion merkuri DSAC dengan batang perangkap medan listrik terlihat di guntingan. Gambar melalui Jet Propulsion Laboratory
Salah satu kunci untuk mengurangi ukuran keseluruhan DSAC adalah mengecilkan perangkap ion merkuri. Ditampilkan pada gambar di atas, panjangnya sekitar 15 cm (6 inci). Perangkap membatasi plasma ion merkuri menggunakan medan listrik. Kemudian, dengan menerapkan medan magnet dan perisai eksternal, kami menyediakan lingkungan yang stabil di mana ion-ion dipengaruhi secara minimal oleh variasi suhu atau magnet. Lingkungan stabil ini memungkinkan pengukuran transisi ion antara keadaan energi dengan sangat akurat.
Teknologi DSAC tidak benar-benar mengonsumsi apa pun selain daya. Semua fitur ini bersama-sama berarti kita dapat mengembangkan jam yang cocok untuk misi ruang durasi sangat lama.
Karena DSAC sama stabilnya dengan rekan-rekan di darat, pesawat ruang angkasa yang membawa DSAC tidak perlu membalikkan sinyal untuk mendapatkan pelacakan dua arah. Sebaliknya, pesawat ruang angkasa dapat melacak sinyal ke stasiun bumi atau bisa menerima sinyal yang dikirim oleh stasiun bumi dan membuat pengukuran pelacakan di papan. Dengan kata lain, pelacakan dua arah tradisional dapat diganti dengan satu arah, diukur baik di darat atau di atas pesawat ruang angkasa.
Jadi apa artinya ini untuk navigasi luar angkasa? Secara umum, pelacakan satu arah lebih fleksibel, dapat diskalakan (karena dapat mendukung lebih banyak misi tanpa membangun antena baru) dan memungkinkan cara-cara baru untuk bernavigasi.
DSAC memungkinkan generasi pelacakan ruang dalam berikutnya. Gambar melalui Jet Propulsion Laboratory
DSAC memajukan kami melampaui apa yang mungkin hari ini
Deep Space Atomic Clock berpotensi untuk memecahkan banyak tantangan navigasi ruang kita saat ini.
-
Tempat-tempat seperti Mars "penuh sesak" dengan banyak pesawat ruang angkasa: Saat ini, ada lima pengorbit yang bersaing untuk pelacakan radio. Pelacakan dua arah membutuhkan pesawat ruang angkasa untuk “berbagi waktu” sumber daya. Tetapi dengan pelacakan satu arah, Deep Space Network dapat mendukung banyak pesawat ruang angkasa secara bersamaan tanpa memperluas jaringan. Semua yang dibutuhkan adalah radio pesawat ruang angkasa yang mampu ditambah dengan DSAC.
-
Dengan Deep Space Network yang ada, pelacakan satu arah dapat dilakukan pada pita frekuensi yang lebih tinggi daripada dua arah saat ini. Melakukannya meningkatkan presisi data pelacakan hingga 10 kali lipat, menghasilkan pengukuran laju jangkauan dengan kesalahan hanya 0,01 mm / detik.
-
Transmisi uplink satu arah dari Deep Space Network sangat bertenaga besar. Antena tersebut dapat diterima oleh antena pesawat ruang angkasa yang lebih kecil dengan bidang pandang yang lebih besar daripada antena high-gain khas, fokus yang digunakan saat ini untuk pelacakan dua arah. Perubahan ini memungkinkan misi untuk melakukan kegiatan sains dan eksplorasi tanpa gangguan sambil tetap mengumpulkan data presisi tinggi untuk navigasi dan sains. Sebagai contoh, penggunaan data satu arah dengan DSAC untuk menentukan medan gravitasi Europa, bulan es Jupiter, dapat dicapai dalam sepertiga dari waktu yang dibutuhkan dengan menggunakan metode dua arah tradisional dengan misi terbang yang saat ini sedang dijalankan pengembangan oleh NASA.
-
Mengumpulkan data satu arah presisi tinggi di atas pesawat ruang angkasa berarti data tersedia untuk navigasi waktu nyata. Tidak seperti pelacakan dua arah, tidak ada penundaan dengan pengumpulan dan pemrosesan data berbasis darat. Jenis navigasi ini bisa jadi penting untuk eksplorasi robot; itu akan meningkatkan akurasi dan keandalan selama peristiwa-peristiwa kritis - misalnya, ketika sebuah pesawat ruang angkasa menyisipkan orbit ke seluruh planet. Ini juga penting untuk eksplorasi manusia, ketika para astronot akan membutuhkan informasi lintasan real-time yang akurat untuk menavigasi dengan aman ke tujuan tata surya yang jauh.
Next Mars Orbiter (NeMO) yang saat ini dalam pengembangan konsep oleh NASA adalah salah satu misi yang berpotensi mendapat manfaat dari navigasi radio satu arah dan ilmu pengetahuan yang akan dimungkinkan oleh DSAC. Gambar melalui NASA
Countdown ke peluncuran DSAC
Misi DSAC adalah muatan yang di-host di pesawat ruang angkasa Surrey Satellite Technology Orbital Test Bed. Bersama-sama dengan Unit Demonstrasi DSAC, osilator kuarsa yang sangat stabil dan penerima GPS dengan antena akan memasuki orbit Bumi dengan ketinggian rendah setelah diluncurkan melalui roket SpaceX Falcon di awal 2017.
Saat berada di orbit, kinerja berbasis ruang DSAC akan diukur dalam demonstrasi selama setahun, di mana data pelacakan Sistem Posisi Global akan digunakan untuk menentukan perkiraan yang tepat dari orbit OTB dan stabilitas DSAC. Kami juga akan menjalankan percobaan yang dirancang dengan hati-hati untuk mengonfirmasi bahwa perkiraan orbit berbasis DSAC akurat atau lebih baik daripada yang ditentukan dari data dua arah tradisional. Ini adalah bagaimana kami akan memvalidasi utilitas DSAC untuk navigasi radio satu arah dalam ruang dalam.
Pada akhir 1700-an, menavigasi laut lepas selamanya diubah oleh perkembangan John Harrison dari "pengamat laut" H4. Stabilitas H4 memungkinkan pelaut untuk secara akurat dan andal menentukan garis bujur, yang sampai saat itu telah menghindari para pelaut selama ribuan tahun. Saat ini, menjelajahi ruang dalam membutuhkan jarak tempuh yang urutan besarnya lebih besar dari panjang samudera, dan menuntut alat dengan ketelitian yang lebih tinggi untuk navigasi yang aman. DSAC siap untuk menanggapi tantangan ini.
Todd Ely, Peneliti Utama pada Misi Demonstrasi Teknologi Jam Atom Luar Angkasa, Jet Propulsion Laboratory, NASA