El Reloj Atómico Del Espacio Profundo De La NASA Transformará La Exploración Espacial

¿Qué es un reloj atómico?

Carteles celebrando el Reloj Atómico del Espacio Profundo de la NASA. La misión demostrará tecnología que permitiría a una nave espacial calcular su propia trayectoria en lugar de esperar a que esa información provenga de la Tierra.
Crédito: NASA / JPL-Caltech

¿Qué es un reloj atómico?

El tiempo corre: una demostración de tecnología que podría transformar la forma en que los humanos exploran el espacio se acerca a su fecha de lanzamiento prevista del 24 de junio de 2019. Desarrollado por NASA En el Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena, California, el Reloj Atómico del Espacio Profundo es una actualización importante de los relojes atómicos basados ​​en satélites que, por ejemplo, habilitan el GPS en su teléfono.

En última instancia, esta nueva tecnología podría hacer que la navegación de naves espaciales a lugares distantes como Marte más autónomo. Pero, ¿qué es un reloj atómico? ¿Cómo se utilizan en la navegación espacial y qué hace diferente al Reloj Atómico del Espacio Profundo? Siga leyendo para obtener todas las respuestas.

¿Por qué usamos relojes para navegar en el espacio?

Para determinar la distancia de una nave espacial a la Tierra, los navegantes envían una señal a la nave espacial, que luego la devuelve a la Tierra. El tiempo que requiere la señal para hacer ese viaje de ida y vuelta revela la distancia de la nave espacial a la Tierra, porque la señal viaja a una velocidad conocida (la velocidad de la luz).

Si bien puede parecer complicado, la mayoría de nosotros usamos este concepto todos los días. La tienda de comestibles puede estar a 30 minutos a pie de su casa. Si sabe que puede caminar aproximadamente una milla en 20 minutos, puede calcular la distancia hasta la tienda.

Al enviar múltiples señales y tomar muchas medidas a lo largo del tiempo, los navegantes pueden calcular la trayectoria de una nave espacial: dónde está y hacia dónde se dirige.

La mayoría de los relojes modernos, desde los de pulsera hasta los que se utilizan en los satélites, marcan el tiempo con un oscilador de cristal de cuarzo. Estos dispositivos aprovechan el hecho de que los cristales de cuarzo vibran a una frecuencia precisa cuando se les aplica voltaje. Las vibraciones del cristal actúan como el péndulo de un reloj de pie, marcando cuánto tiempo ha pasado.

Para conocer la posición de la nave espacial dentro de un metro, los navegantes necesitan relojes con resolución de tiempo de precisión, relojes que pueden medir mil millonésimas de segundo.

Los navegantes también necesitan relojes que sean extremadamente estables. La “estabilidad” se refiere a la constancia con la que un reloj mide una unidad de tiempo; su medida de la longitud de un segundo, por ejemplo, debe ser la misma (mejor que una milmillonésima de segundo) durante días y semanas.

¿Qué tienen que ver los átomos con los relojes?

Según los estándares de navegación espacial, los relojes de cristal de cuarzo no son muy estables. Después de solo una hora, incluso los osciladores de cuarzo de mejor rendimiento pueden apagarse en un nanosegundo (una mil millonésima de segundo). Después de seis semanas, pueden estar desviadas por un milisegundo completo (una milésima de segundo) o un error de distancia de 185 millas (300 kilómetros). Eso tendría un gran impacto en la medición de la posición de una nave espacial en rápido movimiento.

Los relojes atómicos combinan un oscilador de cristal de cuarzo con un conjunto de átomos para lograr una mayor estabilidad. El Reloj Atómico del Espacio Profundo de la NASA se apagará en menos de un nanosegundo después de cuatro días y menos de un microsegundo (una millonésima de segundo) después de 10 años. Esto equivale a estar apagado solo un segundo cada 10 millones de años.

Los átomos están compuestos por un núcleo (que consta de protones y neutrones) rodeado de electrones. Cada elemento de la tabla periódica representa un átomo con un cierto número de protones en su núcleo. El número de electrones que pululan alrededor del núcleo puede variar, pero deben ocupar niveles de energía discretos u órbitas.

Una sacudida de energía, en forma de microondas, puede hacer que un electrón se eleve a una órbita más alta alrededor del núcleo. El electrón debe recibir exactamente la cantidad correcta de energía, lo que significa que las microondas deben tener una frecuencia muy específica, para poder realizar este salto.

La energía requerida para hacer que los electrones cambien de órbita es única en cada elemento y constante en todo el universo para todos los átomos de un elemento dado. Por ejemplo, la frecuencia necesaria para hacer que los electrones de un átomo de carbono cambien los niveles de energía es la misma para todos los átomos de carbono del universo. El Reloj Atómico del Espacio Profundo utiliza átomos de mercurio; se necesita una frecuencia diferente para hacer que esos electrones cambien de nivel, y esa frecuencia será constante para todos los átomos de mercurio.

“El hecho de que la diferencia de energía entre estas órbitas sea un valor tan preciso y estable es realmente el ingrediente clave para los relojes atómicos”, dijo Eric Burt, físico de relojes atómicos en JPL . “Es la razón por la que los relojes atómicos pueden alcanzar un nivel de rendimiento más allá de los relojes mecánicos”.

Ser capaz de medir esta frecuencia inmutable en un átomo en particular ofrece a la ciencia una medida universal y estandarizada del tiempo. (“Frecuencia” se refiere al número de ondas que pasan por un punto particular en el espacio en una unidad de tiempo determinada. Por lo tanto, al contar ondas, es posible medir el tiempo). De hecho, la medida oficial de la longitud de un segundo es determinada por la frecuencia necesaria para hacer que los electrones salten entre dos niveles de energía específicos en un átomo de cesio.

En un reloj atómico, la frecuencia del oscilador de cuarzo se transforma en una frecuencia que se aplica a una colección de átomos. Si la frecuencia derivada es correcta, hará que muchos electrones en los átomos cambien los niveles de energía. Si la frecuencia es incorrecta, saltarán muchos menos electrones. Esto determinará si el oscilador de cuarzo está fuera de frecuencia y en qué medida. Luego, se puede aplicar una “corrección” determinada por los átomos al oscilador de cuarzo para dirigirlo de regreso a la frecuencia correcta. Este tipo de corrección se calcula y aplica al oscilador de cuarzo cada pocos segundos en el Reloj Atómico del Espacio Profundo.

¿Qué tiene de especial el reloj atómico del espacio profundo?

Los relojes atómicos se utilizan a bordo de los satélites GPS que orbitan la Tierra, pero incluso ellos deben enviarse actualizaciones dos veces al día para corregir la deriva natural de los relojes. Esas actualizaciones provienen de relojes atómicos más estables en el suelo que son grandes (a menudo del tamaño de un refrigerador) y no están diseñados para sobrevivir a las demandas físicas de ir al espacio.

Hasta 50 veces más estable que los relojes atómicos de los satélites GPS, el Reloj Atómico del Espacio Profundo de la NASA está destinado a ser el reloj atómico más estable jamás volado en el espacio. Logra esta estabilidad mediante el uso de iones de mercurio.

Los iones son átomos que tienen una carga eléctrica neta, en lugar de ser eléctricamente neutros. En cualquier reloj atómico, los átomos están contenidos en una cámara de vacío, y en algunos de esos relojes, los átomos interactúan con las paredes de la cámara de vacío. Los cambios ambientales, como la temperatura, causarán cambios similares en los átomos y conducirán a errores de frecuencia. Muchos relojes atómicos usan átomos neutros, pero debido a que los iones de mercurio tienen carga eléctrica, pueden estar contenidos en una “trampa” electromagnética para evitar que ocurra esta interacción, lo que permite que el Reloj Atómico del Espacio Profundo alcance un nuevo nivel de precisión.

Para las misiones que van a destinos lejanos como Marte u otros planetas, tal precisión hace posible la navegación autónoma con una comunicación mínima hacia y desde la Tierra, una gran mejora en la forma en que se navega actualmente la nave espacial.

El Reloj Atómico del Espacio Profundo está alojado en una nave espacial proporcionada por General Atomics Electromagnetic Systems de Englewood, Colorado. Está patrocinado por el programa de Misiones de Demostración de Tecnología dentro de la Dirección de Misión de Tecnología Espacial de la NASA y el programa de Navegación y Comunicaciones Espaciales dentro de la Dirección de Misión de Operaciones y Exploración Humana de la NASA. JPL gestiona el proyecto.

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