Nieuwe atoomklok kan ruimtereizen nauwkeuriger maken

Natuurkunde Dankzij atoomklokken op aarde kunnen ruimtesondes goed navigeren. NASA heeft er nu een die ook aan boord mee zou kunnen.

De Deep Space Atomic Clock heeft ruimtevaartorganisatie NASA geïnspireerd tot het maken van een posterserie.
De Deep Space Atomic Clock heeft ruimtevaartorganisatie NASA geïnspireerd tot het maken van een posterserie. Foto NASA/JPL-Caltech

De Deep Space Atomic Clock van NASA is de meest stabiele klok die op dit moment in de ruimte te vinden is. De nieuwe technologie kan de navigatie van ruimtevaartuigen tijdens verre reizen, bijvoorbeeld naar Mars, autonomer maken.

Twee jaar geleden werd de klok, afgekort tot DSAC, gelanceerd. Sindsdien draait de klok op 720 kilometer hoogte om de aarde, als test. Door een technisch mankement na de lancering, werkte de klok anders dan gepland. Desondanks blijkt de DSAC tien keer stabieler dan de huidige ruimteklokken, schrijven onderzoekers in Nature.

De Deep Space Atomic Clock is zo groot als een broodrooster. Foto NASA/JPL-Caltech

Dit is een belangrijke ontwikkeling voor navigatie van ruimtevaartuigen. Hiervoor wordt nu vanaf de aarde een signaal naar het ruimtevaartuig gestuurd, dat dan een signaal terugstuurt. Omdat het signaal met een bekende snelheid reist (de lichtsnelheid), kan de afstand tot het ruimtevaartuig bepaald worden uit de tijd waarin het signaal heen en weer reist. Met meerdere metingen kunnen positie en traject berekend worden.

Deze berekeningen gebeuren nu op aarde, met extreem nauwkeurige atoomklokken die precies meten hoelang de signalen erover doen om zo de positie nauwkeurig te bepalen. Hoe beter de klok, hoe beter de positiebepaling. Als blijkt dat het traject van de ruimtesonde aangepast moet worden, dan worden vanaf de aarde trajectcorrecties verstuurd. Hoe groter de afstand, hoe langer die correcties erover doen. Dit kan minuten tot zelfs uren duren, waardoor een ruimtesonde zijn doel mist of zelfs crasht.

Lees ook dit artikel: Exotische materietoestand in een klein ruimtelab

Wachten op correcties

„Met een nauwkeurige klok aan boord kan het ruimtevaartuig de berekeningen zelf uitvoeren en autonoom navigeren, zonder te wachten op correcties vanaf de aarde”, mailt Eric Burt, van het California Institute of Technology en hoofdauteur van de Nature-publicatie.

De meest nauwkeurige klokken zijn atoomklokken. Om de tijd te bepalen gebruikt een klok iets met een vaste frequentie. In horloges is dat de trilfrequentie van een kwartskristal. Bij atoomklokken de trilfrequentie van atomen. Elke atoomsoort heeft zijn eigen regelmatige en razendsnelle atoomtrilling.

De atoomklokken die nu in de ruimte gebruikt worden (in gps-satellieten), meten trillingen van atomen die in een cilinder zitten. Op de langere termijn zorgen atomen die tegen de wanden van die cilinder stuiteren ervoor dat de tijdmeting ‘afdrijft’. Om hiervoor te corrigeren worden deze ruimteklokken een paar keer per dag gecorrigeerd door grotere, stabielere atoomklokken op aarde.

De DSAC lost dit stabiliteitsprobleem op met een zogeheten ionenval. In plaats van ongeladen atomen gebruikt deze klok geladen kwikatomen (kwikionen), die je met elektromagnetische velden op hun plek kunt houden zodat ze niet tegen de wanden botsen, vertelt Burt. Dit levert – zelfs met technisch mankement – de meest stabiele ruimteklok op met een nauwkeurigheid die maakt dat hij na tien jaar tikken minder dan één microseconde (miljoenste seconde) afwijkt.

Bestand tegen straling

Ionenval-atoomklokken bestaan al langer op aarde, maar het was een uitdaging om ze zo te ontwerpen dat ze klein zijn en tegelijkertijd de heftige trillingen tijdens de raketlancering aankunnen en bestand zijn tegen straling en temperatuurverschillen in de ruimte. Dit lijkt nu gelukt met de DSAC, die ongeveer zo groot is als een broodrooster en tijdens zijn eerste jaar robuust is gebleken.

„Dat is een grote technologische doorbraak voor een klok die tegelijkertijd ontzettend precies is”, zegt Rene Gerritsma, fysicus aan de Universiteit van Amsterdam en niet betrokken bij het onderzoek.

De DSAC is veelbelovend, maar voordat hij mee kan met een ruimtesonde, zal onder meer de levensverwachting opgekrikt moeten worden. Die wordt nu geschat op drie tot vijf jaar. Voor verre ruimtereizen zijn klokken nodig die langer meegaan.

Lees ook dit artikel: Met twee atoomklokken is het land in kaart te brengen