أطلقت وكالة ناسا ساعة ذرية فضائية جديدة فائقة الدقة تأمل الوكالة أن تساعد المركبة الفضائية في يوم من الأيام في قيادة نفسها عبر الفضاء البعيد دون الاعتماد على الساعات الأرضية.
تسمى الساعة العميقة الذرية (DSAC) ، وتعمل من خلال قياس سلوكيات أيونات الزئبق المحاصرة في إطارها الصغير. لقد كان في المدار منذ يونيو ، ولكن تم تفعيله بنجاح لأول مرة في 23 أغسطس. إنه ليس بهيجًا على الإطلاق - فقط مربع رمادي بحجم جهاز محمص رباعي الشرائح ومليء بالأسلاك ، جيل سيوبرت ، مهندس طيران وواحد من قادة المشروع في وكالة ناسا ، لـ Live Science. لكن هذا الحجم المتواضع هو النقطة: تعمل سوبرت وزملاؤها على تصميم ساعة صغيرة بما يكفي للتحميل على أي مركبة فضائية ودقيقة بما يكفي لتوجيه المناورات المعقدة في الفضاء العميق دون أي مدخلات من أبناء عمومتها بحجم الثلاجة على الأرض.
تحتاج إلى ساعة دقيقة لتجد طريقك حول الفضاء لأنها كبيرة وخالية. هناك عدد قليل من المعالم التي يمكنك من خلالها الحكم على موقعك أو سرعتك ، ومعظمها بعيد جدًا عن تقديم معلومات دقيقة. وقال سوبيرت إن كل قرار يقلب السفينة أو يطلق صواريخها يبدأ بثلاثة أسئلة: أين أنا؟ ما مدى سرعة تحركي؟ وفي أي اتجاه؟
أفضل طريقة للإجابة على هذه الأسئلة هي النظر إلى الأشياء التي سبق أن عُرفت الإجابات عليها ، مثل أجهزة الإرسال الراديوي على الأرض ، أو الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) التي تتبع المسارات المدارية المعروفة عبر الفضاء. أرسل إشارة بسرعة الضوء مع الوقت الدقيق عند النقطة A وقم بقياس الوقت المستغرق للوصول إلى النقطة B. هذا يخبرك بالمسافة بين A و B. إرسال إشارتين إضافيتين من موقعين آخرين ، وسيكون لديك ما يكفي من المعلومات لمعرفة مكان النقطة B بالضبط في الفضاء ثلاثي الأبعاد. (هذه هي الطريقة التي يعمل بها برنامج GPS على هاتفك: من خلال التحقق المستمر من اختلافات الدقائق في توقيعات الوقت التي تبثها أقمار صناعية مدارية مختلفة.)
وقال سيوبرت للتنقل في الفضاء ، تعتمد ناسا حاليًا على نظام مماثل ولكن أقل دقة. معظم الساعات الذرية ومعدات البث موجودة على الأرض ، وهي مجتمعة تشكل ما يعرف باسم شبكة الفضاء العميق. لذلك لا تستطيع وكالة ناسا عادةً حساب موقع وسرعة مركبة فضائية من ثلاثة مصادر دفعة واحدة. وبدلاً من ذلك ، تستخدم الوكالة سلسلة من القياسات حيث تتحرك الأرض والمركبة الفضائية عبر الفضاء بمرور الوقت لتحديد اتجاه وموضع المركبة الفضائية.
لكي تتمكن المركبة الفضائية من معرفة مكانها ، تحتاج إلى تلقي إشارة من شبكة Deep Space Network ، وحساب الوقت المستغرق في وصول الإشارة واستخدام سرعة الضوء لتحديد المسافة. "للقيام بذلك بدقة بالغة ، يجب أن تكون قادرًا على قياس تلك الأوقات - أوقات إرسال الإشارات واستلامها - بأكبر قدر ممكن من الدقة. وعلى الأرض ، عندما نرسل هذه الإشارات من شبكة الفضاء الفضائي لدينا ، لدينا ساعات ذرية دقيقة للغاية قال سوبيرت ". "حتى الآن ، الساعات التي كانت لدينا صغيرة بما يكفي ومنخفضة الطاقة بما يكفي لتحلق على مركبة فضائية ، تسمى المذبذبات المتطرفة ، وهي تسمية خاطئة تمامًا. إنها ليست قابلة للتغير. يسجلون هذه الإشارة- الوقت ، لكنها منخفضة الدقة ".
نظرًا لأن بيانات الموقع على متن المركبة الفضائية غير موثوق بها إلى حد كبير ، فإن معرفة كيفية التنقل - متى يتم تشغيل الدافع أو تغيير المسار ، على سبيل المثال - أكثر تعقيدًا بكثير ويجب القيام به على الأرض. وبعبارة أخرى ، يقود الناس على الأرض المركبة الفضائية على بعد مئات الآلاف أو ملايين الأميال.
"ولكن إذا تمكنت من تسجيل ذلك الوقت المستلم للإشارة على متن الطائرة بدقة شديدة باستخدام ساعة ذرية ، فلديك الآن فرصة لجمع كل بيانات التتبع على متن الطائرة وتصميم الكمبيوتر والراديو الخاص بك بحيث يمكن للمركبة الفضائية قيادة نفسها". قالت.
وكالة ناسا ووكالات فضائية أخرى وضعت ساعات ذرية في الفضاء من قبل. يحمل أسطولنا الساتلي GPS بأكمله ساعات ذرية. ولكن ، بالنسبة للجزء الأكبر ، فهي غير دقيقة وغير عملية للغاية للعمل على المدى الطويل ، قال سيوبرت. البيئة في الفضاء أكثر خشونة من مختبر أبحاث على الأرض. تتغير درجات الحرارة عندما تمر الساعات داخل وخارج ضوء الشمس. مستويات الإشعاع ترتفع وتنخفض.
وقالت: "إنها مشكلة معروفة لرحلات الفضاء ، ونرسل عادةً أجزاء متشددة من الإشعاع أثبتنا أنها يمكن أن تعمل في بيئات إشعاعية مختلفة ذات أداء مشابه".
لكن الإشعاع لا يزال يغير الطريقة التي تعمل بها الإلكترونيات. وتؤثر هذه التغييرات على الساعات الذرية للمعدات الحساسة التي تستخدم لقياس انزلاق الوقت ، مهددة بإدخال معلومات غير دقيقة. وأشار سيوبرت إلى أن القوات الجوية تقوم عدة مرات في اليوم بتحميل التصحيحات على ساعات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لمنعها من الانزلاق بعيدًا عن التزامن مع الساعات على الأرض.
وقالت إن الهدف من DSAC هو إنشاء نظام ليس فقط محمولًا وبسيطًا بما يكفي ليتم تثبيته على أي مركبة فضائية ولكن أيضًا قوي بما يكفي للعمل في الفضاء على المدى الطويل دون الحاجة إلى تعديلات مستمرة من فرق الأرض.
بالإضافة إلى السماح بملاحة أكثر دقة في الفضاء البعيد باستخدام الإشارات الأرضية ، فقد تسمح مثل هذه الساعة يومًا ما لرواد الفضاء في البؤر الاستيطانية البعيدة بالتنقل تمامًا كما نفعل مع أجهزة رسم الخرائط الخاصة بنا على الأرض ، على حد قول سيوبرت. يمكن لأسطول صغير من الأقمار الصناعية المجهزة بأجهزة DSAC أن يدور حول القمر أو المريخ ، ويعمل بدلاً من أنظمة GPS الأرضية ، ولن تتطلب هذه الشبكة تصحيحات عدة مرات في اليوم.
وأضافت أنه في المستقبل ، قد تلعب DSACs أو الأجهزة المماثلة دورًا في أنظمة الملاحة النابضة ، والتي من شأنها تتبع توقيت أشياء مثل نبض الضوء من أنظمة النجوم الأخرى للسماح للمركبات الفضائية بالتنقل دون أي مدخلات من الأرض.
للسنة التالية ، على الرغم من ذلك ، الهدف هو جعل DSAC الأول يعمل بشكل صحيح لأنه يدور بالقرب من الأرض.
وقال سوبيرت "ما نحتاج إلى فعله هو تعلم كيفية ضبط الساعة للعمل بشكل صحيح في تلك البيئة".
وأضافت أن الدروس التي يتعلمها طاقم DSAC أثناء ضبط الجهاز هذا العام يجب أن تعدهم لاستخدام أجهزة مماثلة في مهام طويلة المدى على الطريق.
