Precisa medir com precisão o tempo no espaço? Use um Bússola

Dizer o tempo no espaço é difícil, mas é absolutamente crítico para aplicações que vão desde testar a relatividade até navegar na estrada. Os relógios atômicos, como os usados ​​na rede do Sistema Global de Navegação por Satélite, são precisos, mas apenas até certo ponto. Mudar para ferramentas de navegação ainda mais precisas exigiria relógios ainda mais precisos. Existem várias soluções em vários estágios de desenvolvimento técnico, e uma do DLR da Alemanha, COMPASSO, planeja provar os relógios ópticos quânticos no espaço como um potencial sucessor.

Existem vários problemas com os relógios atômicos existentes – um tem a ver com sua precisão e outro com seus requisitos de tamanho, peso e potência (SWaP). Os relógios atômicos atuais usados ​​no GNSS são relativamente compactos, pesando cerca de 0,5 kg e 125 x 100 x 40 mm, mas carecem de precisão. Na terminologia mundial do relógio altamente precisa, eles têm uma “estabilidade” de 10e-9 em 10.000 segundos. Isso parece absurdamente preciso, mas não é suficiente para um GNSS mais preciso.

Alternativas, como relógios de rede atômica, são mais precisas, com estabilidade de 10e-18 para 10.000. No entanto, eles podem medir 0,5 x 0,5 x 0,5 m e pesar centenas de quilos. Dadas as restrições de espaço e peso dos satélites, estes são demasiado grandes para serem adoptados como base para a cronometragem por satélite.

Para encontrar um meio-termo, a ESA desenvolveu um roteiro de desenvolvimento tecnológico centrado na melhoria da estabilidade do relógio, mantendo-o suficientemente pequeno para caber num satélite. Um exemplo de tecnologia no roteiro é um relógio à base de césio resfriado por lasers e combinado com um maser à base de hidrogênio, um laser de micro-ondas. A NASA também não está perdendo a diversão, com seu trabalho em um relógio de íons de mercúrio que já foi testado orbitalmente há um ano.

COMPASSO espera superar todos eles. Três tecnologias principais permitem a missão: duas referências de frequência de iodo, um “pente de frequência” e um “terminal de comunicação e alcance a laser”. Idealmente, a missão será lançada para a ISS, onde permanecerá no espaço durante dois anos, marcando constantemente o tempo. A precisão dessas medições será comparada com alternativas nesse período.

Os lasers são a chave de todo o sistema. As referências de frequência de iodo exibem linhas de absorção muito distintas de iodo molecular, que podem ser usadas como referência de frequência para o pente de frequência, um laser especializado cujo espectro de saída parece ter dentes de pente em frequências específicas. Essas frequências podem ser sintonizadas com a frequência de referência do iodo, permitindo a correção de qualquer desvio no pente.

O pente fornece então um método de bloqueio de fase para um oscilador de micro-ondas, uma parte fundamental de um relógio atômico padrão. No geral, isso significa que a estabilidade da referência de frequência do iodo é transferida para o pente de frequência, que é então novamente transferido para o oscilador de micro-ondas e, portanto, para o relógio atômico. No caso do COMPASSO, o terminal de comunicação a laser é usado para transmitir informações de frequência e temporização de volta para uma estação terrestre enquanto ela está ativa.

O COMPASSO foi iniciado inicialmente em 2021, e um artigo descrevendo seus detalhes e alguns protótipos de breadboard foram lançados este ano. Ele embarcará até a ISS em 2025 para iniciar sua missão de tornar o mundo um lugar cronometrado com mais precisão – e talvez também melhorar nossas habilidades de navegação.

Saber mais:
Kuschewski et al. Missão COMPASSO e seu relógio de iodo: esboço do design do relógio
UT – Relógios atômicos separados por apenas alguns centímetros medem diferentes taxas de tempo. Assim como Einstein previu
UT – Os relógios atômicos do espaço profundo ajudarão as espaçonaves a responder, com uma precisão incrível, se ainda estiverem lá
UT – Foi construído um novo relógio atômico que estaria atrasado em menos de um segundo desde o Big Bang

Imagem principal:
Protótipo de bancada de parte do sistema COMPASSO.
Crédito – Kuschewski et al