NASA đã bật một chiếc đồng hồ nguyên tử mới, siêu chính xác, dựa trên không gian mà cơ quan này hy vọng một ngày nào đó sẽ giúp tàu vũ trụ tự lái qua không gian sâu mà không cần dựa vào đồng hồ trên Trái đất.
Nó được gọi là Đồng hồ nguyên tử Deep Space (DSAC), và nó hoạt động bằng cách đo các hành vi của các ion thủy ngân bị mắc kẹt trong khung nhỏ của nó. Nó đã đi vào quỹ đạo kể từ tháng 6, nhưng lần đầu tiên nó được kích hoạt thành công vào ngày 23 tháng 8. Nó không hào nhoáng - chỉ là một hộp màu xám có kích thước của một máy nướng bánh bốn lát và đầy dây, Jill Seubert, một kỹ sư hàng không vũ trụ và một của các nhà lãnh đạo của dự án tại NASA, nói với Live Science. Nhưng kích thước không đáng kể đó là điểm chính: Suebert và các đồng nghiệp của cô đang làm việc để chế tạo một chiếc đồng hồ đủ nhỏ để tải lên bất kỳ tàu vũ trụ nào và đủ chính xác để hướng dẫn các thao tác phức tạp trong không gian sâu mà không cần bất kỳ đầu vào nào từ anh em họ có kích thước tủ lạnh trên Trái đất.
Bạn cần một chiếc đồng hồ chính xác để tìm đường trong không gian vì nó lớn và trống rỗng. Có một vài cột mốc để đánh giá vị trí hoặc vận tốc của bạn, và hầu hết là quá xa để cung cấp thông tin chính xác. Vì vậy, mọi quyết định để quay một con tàu hoặc bắn các máy đẩy của nó, Seubert nói, bắt đầu với ba câu hỏi: Tôi đang ở đâu? Tôi đang di chuyển nhanh như thế nào? Và theo hướng nào?
Cách tốt nhất để trả lời những câu hỏi đó là nhìn vào các vật thể mà câu trả lời đã được biết đến, như máy phát vô tuyến trên Trái đất hoặc vệ tinh GPS theo dõi các quỹ đạo đã biết trong không gian. Gửi tín hiệu ở tốc độ ánh sáng với thời gian chính xác tại điểm A và đo khoảng thời gian để đến điểm B. Điều đó cho bạn biết khoảng cách giữa A và B. Gửi thêm hai tín hiệu từ hai địa điểm nữa và bạn sẽ có đủ thông tin để tìm ra chính xác điểm B ở trong không gian ba chiều. (Đây là cách phần mềm GPS trên điện thoại của bạn hoạt động: bằng cách liên tục kiểm tra chênh lệch phút về chữ ký thời gian được phát bởi các vệ tinh quay quanh khác nhau.)
Để điều hướng không gian, NASA hiện đang dựa vào một hệ thống tương tự nhưng kém chính xác hơn, Seubert nói. Hầu hết các đồng hồ nguyên tử và thiết bị phát sóng đều ở trên Trái đất và chúng cùng nhau tạo thành cái gọi là Mạng không gian sâu. Vì vậy, NASA thường không thể tính toán vị trí và vận tốc của tàu vũ trụ từ ba nguồn trong một lần. Thay vào đó, cơ quan này sử dụng một loạt các phép đo khi cả Trái đất và tàu vũ trụ di chuyển trong không gian theo thời gian để đóng đinh hướng và vị trí của tàu vũ trụ.
Để tàu vũ trụ biết được vị trí của nó, nó cần nhận tín hiệu từ Mạng không gian sâu, tính toán thời gian để tín hiệu đến và sử dụng tốc độ ánh sáng để xác định khoảng cách. "Để làm điều này rất chính xác, bạn cần có thể đo thời gian đó - thời gian gửi tín hiệu và thời gian nhận tín hiệu - chính xác nhất có thể. Và trên mặt đất, khi chúng tôi gửi các tín hiệu này từ Mạng không gian sâu của chúng tôi, chúng tôi có đồng hồ nguyên tử rất chính xác và chính xác, "Seubert nói. "Cho đến nay, những chiếc đồng hồ mà chúng ta có đủ nhỏ và đủ năng lượng để bay trên tàu vũ trụ, chúng được gọi là bộ dao động siêu bền, là một cách hiểu sai hoàn toàn. Chúng không thể siêu bền. Chúng ghi lại tín hiệu đó- nhận được thời gian, nhưng nó có độ chính xác rất thấp. "
Bởi vì dữ liệu vị trí trên tàu vũ trụ rất không đáng tin cậy, nên việc tìm ra cách điều hướng - chẳng hạn khi bật một bộ đẩy hoặc thay đổi khóa học - thì phức tạp hơn nhiều và phải được thực hiện trên Trái đất. Nói cách khác, mọi người trên trái đất đang lái tàu vũ trụ từ hàng trăm ngàn hay hàng triệu dặm.
"Nhưng nếu bạn có thể ghi lại thời gian nhận tín hiệu trên tàu rất chính xác bằng đồng hồ nguyên tử, thì bây giờ bạn có cơ hội thu thập tất cả dữ liệu theo dõi đó trên tàu và thiết kế máy tính và radio của bạn để tàu vũ trụ có thể tự lái," cô ấy nói.
NASA và các cơ quan không gian khác đã đưa đồng hồ nguyên tử vào không gian trước đó. Toàn bộ hạm đội vệ tinh GPS của chúng tôi mang đồng hồ nguyên tử. Nhưng, đối với hầu hết các phần, chúng quá không chính xác và khó sử dụng cho công việc lâu dài, Seubert nói. Môi trường trong không gian khắc nghiệt hơn nhiều so với một phòng thí nghiệm nghiên cứu trên Trái đất. Nhiệt độ thay đổi khi đồng hồ đi vào và ra khỏi ánh sáng mặt trời. Mức độ phóng xạ đi lên và xuống.
"Đó là một vấn đề nổi tiếng về không gian vũ trụ, và chúng tôi thường gửi các bộ phận làm cứng bức xạ mà chúng tôi đã chứng minh có thể hoạt động trong các môi trường bức xạ khác nhau với hiệu suất tương tự", cô nói.
Nhưng bức xạ vẫn thay đổi cách thức hoạt động của thiết bị điện tử. Và những thay đổi đó tác động đến các đồng hồ nguyên tử của thiết bị nhạy cảm sử dụng để đo thời gian trôi qua, đe dọa đưa ra sự không chính xác. Nhiều lần trong ngày, Seubert chỉ ra, Không quân tải lên các chỉnh sửa lên đồng hồ của các vệ tinh GPS để giữ cho chúng không bị mất đồng bộ với đồng hồ trên mặt đất.
Mục tiêu của DSAC, cô nói, là thiết lập một hệ thống không chỉ có thể di động và đủ đơn giản để được cài đặt trên bất kỳ tàu vũ trụ nào mà còn đủ mạnh để hoạt động trong không gian trong thời gian dài mà không cần điều chỉnh liên tục từ các đội trên Trái đất.
Ngoài việc cho phép điều hướng không gian sâu chính xác hơn bằng cách sử dụng tín hiệu Trái đất, một chiếc đồng hồ như vậy một ngày nào đó có thể cho phép các phi hành gia trên các tiền đồn xa xôi xung quanh giống như chúng ta làm với các thiết bị lập bản đồ trên Trái đất, Seubert nói. Một đội vệ tinh nhỏ được trang bị các thiết bị DSAC có thể quay quanh mặt trăng hoặc sao Hỏa, hoạt động thay cho các hệ thống GPS trên Trái đất và mạng này sẽ không yêu cầu chỉnh sửa nhiều lần trong ngày.
Theo bà, các DSAC hoặc các thiết bị tương tự có thể đóng vai trò trong các hệ thống điều hướng xung, theo dõi thời gian của những thứ như xung ánh sáng từ các hệ sao khác để cho phép tàu vũ trụ di chuyển mà không cần bất kỳ đầu vào nào từ Trái đất.
Tuy nhiên, trong năm tới, mục tiêu là để DSAC đầu tiên này hoạt động chính xác khi nó quay gần Trái đất.
"Những gì chúng ta cần làm về cơ bản là học cách điều chỉnh đồng hồ để hoạt động tốt trong môi trường đó", Seubert nói.
Những bài học mà phi hành đoàn DSAC học được trong khi điều chỉnh thiết bị trong năm nay nên chuẩn bị cho họ sử dụng các thiết bị tương tự cho các nhiệm vụ tầm xa trên đường, cô nói thêm.
