Gestern früh startete die NASA eine SpaceX Falcon Heavy-Rakete in die Umlaufbahn, an Bord befanden sich zahlreiche wissenschaftliche Missionen. Eine der faszinierendsten Nutzlasten war eine Uhr, die ungefähr ein Jahr lang tickt, wenn sie den Planeten umkreist. Dies ist jedoch keine gewöhnliche Uhr: Die Deep Space Atomic Clock ist eine Technologie, die das Navigieren im Weltraum in Zukunft erheblich vereinfachen könnte.
Kasandra Brabaw von Space.com berichtet, dass die meisten in den Kosmos gesendeten Sonden über Funkwellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, von der Erde aus verfolgt werden. Ein Signal wird von der Erde gesendet und sofort zur Missionskontrolle zurückgeworfen, sodass die Sondenführer die genaue Position berechnen können, basierend darauf, wie lange es gedauert hat, bis das Signal sie erreicht hat. Dieser Prozess basiert auf dem Deep Space Network der NASA, einer Reihe von Funkantennen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt nur so viel Weltraumverkehr bewältigen können.
Wenn die Sonden eine stabile und präzise Uhr hatten, die es ihnen ermöglichte, ihren eigenen Kurs zu bestimmen, könnten sie einen Teil dieser Navigation autonom durchführen, berichtet Jonathan Amos von der BBC.
"Autonome Navigation an Bord bedeutet, dass ein Raumschiff seine eigene Navigation in Echtzeit durchführen kann, ohne auf die Anweisungen der Navigatoren hier auf der Erde zu warten", sagte Jill Seubert, stellvertretende Ermittlerin, kürzlich gegenüber Reportern auf einer Pressekonferenz. "Selbstfahrende" Raumschiffe sind auch ein Schlüsselelement, um Menschen auf den Mars zu bringen. "Und mit dieser Fähigkeit kann ein Raumschiff mit menschlicher Besatzung sicher zu einem Landeplatz mit weniger Unsicherheit auf seinem Weg gebracht werden."
Aber selbst die netteste Rolex wird es nicht in den Weltraum schaffen. Quarzkristalle schwingen regelmäßig, wenn elektrischer Strom durch sie fließt, weshalb sie in Uhren verwendet werden, um die Zeit zu verfolgen. Sie sind präzise genug, wenn es darum geht, zur Arbeit zu gehen oder einen Zug zu erwischen, aber für sich allein sind sie nicht genau genug, um im Weltraum zu navigieren. Sie können im Verlauf von sechs Wochen eine volle Millisekunde verlieren, was für eine Raumsonde katastrophal wäre.
Um die milliardste Sekunde zu erreichen, die für den Flug durch den Kosmos benötigt wird, ist eine Atomuhr erforderlich, ein Gerät, das seinen Quarzkristall an die Schwingungen bestimmter Atome anpasst. Die Elektronen um diese Atome herum nehmen unterschiedliche Energieniveaus oder Bahnen ein, und es bedarf eines präzisen Stromstoßes, um sie zum nächsten Energieniveau zu bewegen. "Die Tatsache, dass die Energiedifferenz zwischen diesen Bahnen so genau und stabil ist, ist wirklich der Schlüsselbestandteil für Atomuhren", sagt Eric Burt, Atomuhrenphysiker am Jet Propulsion Laboratory der NASA, in einer Pressemitteilung. "Dies ist der Grund, warum Atomuhren ein Leistungsniveau erreichen können, das über mechanische Uhren hinausgeht."
In einer Atomuhr wird die Frequenz des Quarzoszillators fein abgestimmt, um die Energie, die benötigt wird, um Elektronen auf ein neues Energieniveau zu bringen. Wenn der Quarz mit der richtigen Frequenz vibriert, springen die Elektronen auf das nächste Energieniveau. Wenn dies nicht der Fall ist, weiß die Uhr, dass die Frequenz deaktiviert ist, und kann sich selbst korrigieren. Dieser Vorgang findet alle paar Sekunden statt.
Derzeit haben die meisten terrestrischen Atomuhren die Größe eines Kühlschranks. Betreten Sie die Deep Space Atomic Clock, an der die NASA-Ingenieure seit fast 20 Jahren basteln. Das Gerät, das etwa die Größe eines Toasters hat, verwendet geladene Quecksilberionen, um den Quarzoszillator aufrechtzuerhalten, und verliert innerhalb von vier Tagen nur etwa eine Nanosekunde. Es würde ungefähr 10 Millionen Jahre dauern, bis die Uhr um eine Sekunde verschoben ist, was sie ungefähr 50-mal stabiler macht als die genauen Uhren, die bei der GPS-Satellitennavigation verwendet werden.
Die Uhr befindet sich derzeit in einer niedrigen Erdumlaufbahn und schaltet sich in vier bis sieben Wochen ein. Nach drei bis vier Wochen Betriebszeit werden die Forscher ihre vorläufige Leistung analysieren und ein abschließendes Urteil darüber abgeben, wie gut sie im Weltraum funktioniert, nachdem sie etwa ein Jahr lang um den Planeten gezoomt haben.
Wenn die Uhr laut einer NASA-Erklärung stabil genug ist, könnte sie in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts im Raumschiff erscheinen. Unabhängig davon, ob diese Version überlebt oder nicht, werden Atomuhren oder eine ähnliche Technologie für zukünftige Weltraummissionen in andere Welten von entscheidender Bedeutung sein.
"Die Deep Space Atomic Clock kann nicht nur lokal, sondern auch auf anderen Planeten zur Navigation beitragen", sagt Burt. "Eine Möglichkeit ist, als hätten wir GPS auf anderen Planeten."
Weitere Experimente, die mit der Uhr in die Umlaufbahn gebracht wurden, sind die Green Propellant Infusion Mission, bei der ein System getestet wird, das ungiftigen Hochleistungstreibstoff verwendet, und das Enhanced Tandem Beacon Experiment, bei dem Blasen in den elektrisch geladenen Schichten untersucht werden der Erdatmosphäre, die manchmal GPS-Signale stören kann.
