Zeitmessung im Weltraum

Ein Wissenschaftler, der die Deep Space Atomic-Uhr entwickelt, um herauszufinden, warum sie der Schlüssel für zukünftige Weltraummissionen ist.

DSAC bereitet ein einjähriges Experiment vor, um seine Eignung für die zukünftige Erforschung des Weltraums zu charakterisieren und zu testen. Bild über das NASA Jet Propulsion Laboratory

Von Todd Ely NASA

Wir alle verstehen intuitiv die Grundlagen der Zeit. Jeden Tag zählen wir seine Passage und nutzen sie, um unser Leben zu planen.

Wir nutzen die Zeit auch, um zu den Zielen zu navigieren, die uns wichtig sind. In der Schule haben wir gelernt, dass uns Geschwindigkeit und Zeit zeigen, wie weit wir von Punkt A nach Punkt B gekommen sind. Mit einer Karte können wir die effizienteste Route auswählen - einfach.

Aber was ist, wenn Punkt A die Erde ist und Punkt B der Mars - ist es immer noch so einfach? Konzeptionell ja. Aber um es tatsächlich zu tun, brauchen wir bessere Werkzeuge - viel bessere Werkzeuge.

Im Jet Propulsion Laboratory der NASA arbeite ich an der Entwicklung eines dieser Tools: der Deep Space Atomic Clock, kurz DSAC. DSAC ist eine kleine Atomuhr, die als Teil eines Navigationssystems für Raumfahrzeuge verwendet werden kann. Es wird die Genauigkeit verbessern und neue Navigationsmodi ermöglichen, beispielsweise unbeaufsichtigt oder autonom.

In ihrer endgültigen Form wird die Deep Space Atomic Clock für Operationen im Sonnensystem weit über die Erdumlaufbahn hinaus geeignet sein. Unser Ziel ist es, einen fortschrittlichen DSAC-Prototyp zu entwickeln und ein Jahr lang im Weltraum zu betreiben, um seine Verwendung für die zukünftige Erforschung des Weltraums zu demonstrieren.

Geschwindigkeit und Zeit verraten uns die Entfernung

Um im Weltraum zu navigieren, messen wir die Laufzeit eines Funksignals, das zwischen einem Raumfahrzeug und einer unserer Sendeantennen auf der Erde hin und her wandert (normalerweise einer der Deep Space Network-Komplexe der NASA in Goldstone, Kalifornien, Madrid, Spanien, oder Canberra, Australien).

Der Canberra Deep Space Communications Complex in Australien ist Teil des Deep Space Network der NASA, das Funksignale von und zu Raumfahrzeugen empfängt und sendet. Bild über Jet Propulsion Laboratory

Wir wissen, dass sich das Signal mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, einer Konstanten von ungefähr 300.000 km / s (186.000 Meilen / s). Aus der Zeit, die unsere Zwei-Wege-Messung benötigt, um hin und zurück zu fahren, können wir Entfernungen und Relativgeschwindigkeiten für das Raumfahrzeug berechnen.

Ein umkreisender Satellit auf dem Mars ist zum Beispiel durchschnittlich 250 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Die Zeit, die das Funksignal benötigt, um dorthin und zurück zu gelangen (sogenannte Zweiwege-Beleuchtungszeit), beträgt ungefähr 28 Minuten. Wir können die Laufzeit des Signals messen und sie dann auf die Gesamtdistanz zwischen der Erdverfolgungsantenne und dem Orbiter beziehen, die besser als ein Meter ist, und die relative Geschwindigkeit des Orbiters in Bezug auf die Antenne auf 0,1 mm / s.

Wir erfassen die Entfernungs- und Relativgeschwindigkeitsdaten über die Zeit und können bei ausreichender Verfügbarkeit (bei einem Mars-Orbiter in der Regel zwei Tage) die Flugbahn des Satelliten bestimmen.

Zeit messen, weit über Schweizer Präzision hinaus

Grundlegend für diese genauen Messungen sind Atomuhren. Durch die Messung sehr stabiler und präziser Lichtfrequenzen bestimmter Atome (z. B. Wasserstoff, Cäsium, Rubidium und für DSAC Quecksilber) kann eine Atomuhr die Zeit regulieren, die eine herkömmlichere mechanische Uhr (Quarzkristalluhr) hält. Es ist wie eine Stimmgabel für die Zeitmessung. Das Ergebnis ist ein Uhrensystem, das über Jahrzehnte extrem stabil sein kann.

Die Präzision der Deep Space Atomic Clock beruht auf einer inhärenten Eigenschaft von Quecksilberionen - sie wechseln zwischen benachbarten Energieniveaus mit einer Frequenz von genau 40,5073479968 GHz. DSAC verwendet diese Eigenschaft, um den Fehler in der "Tick-Rate" einer Quarzuhr zu messen und mit dieser Messung in Richtung einer stabilen Rate zu "steuern". Die daraus resultierende Stabilität von DSAC ist vergleichbar mit bodengestützten Atomuhren, die weniger als eine Mikrosekunde pro Jahrzehnt gewinnen oder verlieren.

Mit dem Beispiel des Mars-Orbiters fortfahrend, tragen bodengestützte Atomuhren beim Deep Space Network-Fehlerbeitrag zur Zweiwege-Lichtzeitmessung des Orbiters in der Größenordnung von Pikosekunden bei und tragen nur Bruchteile eines Meters zum Gesamtentfernungsfehler bei. Ebenso ist der Beitrag der Uhren zum Fehler bei der Geschwindigkeitsmessung des Orbiters ein winziger Bruchteil des Gesamtfehlers (1 Mikrometer / s von insgesamt 0,1 mm / s).

Die Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen werden von den Bodenstationen erfasst und an Navigatorteams gesendet, die die Daten unter Verwendung ausgefeilter Computermodelle für die Bewegung von Raumfahrzeugen verarbeiten. Sie berechnen eine am besten geeignete Flugbahn, die für einen Mars-Orbiter in der Regel auf 10 Meter genau ist (ungefähr die Länge eines Schulbusses).

Die DSAC-Demonstrationseinheit (für einen einfachen Transport auf einer Platte montiert). Bild über Jet Propulsion Laboratory

eine Atomuhr in den Weltraum

Die für diese Messungen verwendeten Bodenuhren haben die Größe eines Kühlschranks und arbeiten in sorgfältig kontrollierten Umgebungen - definitiv nicht für die Raumfahrt geeignet. Im Vergleich dazu hat DSAC selbst in seiner aktuellen Prototypform, wie oben dargestellt, ungefähr die Größe eines 4-Scheiben-Toasters. Aufgrund seines Designs ist es in der Lage, an Bord eines Raumschiffs, das den Weltraum erkundet, in einer dynamischen Umgebung gut zu funktionieren.

DSAC-Quecksilberionenfallengehäuse mit elektrischen Feldfangstangen in den Ausschnitten. Bild über Jet Propulsion Laboratory

Ein Schlüssel zur Reduzierung der Gesamtgröße von DSAC war die Miniaturisierung der Quecksilberionenfalle. In der obigen Abbildung ist sie ungefähr 15 cm lang. Die Falle begrenzt das Plasma von Quecksilberionen unter Verwendung elektrischer Felder. Dann schaffen wir durch Anlegen von Magnetfeldern und externer Abschirmung eine stabile Umgebung, in der die Ionen durch Temperatur- oder Magnetschwankungen nur minimal beeinflusst werden. Diese stabile Umgebung ermöglicht es, den Ionenübergang zwischen den Energiezuständen sehr genau zu messen.

Die DSAC-Technologie verbraucht eigentlich nichts anderes als Strom. All diese Funktionen zusammen bedeuten, dass wir eine Uhr entwickeln können, die für Weltraummissionen von sehr langer Dauer geeignet ist.

Da DSAC so stabil ist wie seine bodengebundenen Gegenstücke, müsste ein Raumfahrzeug, das DSAC trägt, keine Signale umkehren, um eine bidirektionale Verfolgung zu erhalten. Stattdessen könnte das Raumfahrzeug das Verfolgungssignal an die Erdstation senden oder es könnte das von der Erdstation gesendete Signal empfangen und die Verfolgungsmessung an Bord durchführen. Mit anderen Worten, die herkömmliche Zweiwege-Ortung kann durch eine Einwege-Ortung ersetzt werden, die entweder am Boden oder an Bord des Raumfahrzeugs gemessen wird.

Was bedeutet das für die Weltraumnavigation? Allgemein gesagt ist die Einwegverfolgung flexibler, skalierbarer (da sie mehr Missionen unterstützen könnte, ohne neue Antennen zu bauen) und ermöglicht neue Navigationsmöglichkeiten.

DSAC ermöglicht die nächste Generation von Deep Space Tracking. Bild über Jet Propulsion Laboratory

DSAC bringt uns über das hinaus, was heute möglich ist

Die Deep Space Atomic Clock hat das Potenzial, einige unserer aktuellen Herausforderungen im Bereich der Raumfahrt zu lösen.

• Orte wie der Mars sind mit vielen Raumfahrzeugen „überfüllt“: Derzeit konkurrieren fünf Orbiter um die Funkverfolgung. Bei der bidirektionalen Verfolgung muss das Raumfahrzeug die Ressource zeitlich teilen. Mit der Einwegverfolgung könnte das Deep Space Network jedoch viele Raumschiffe gleichzeitig unterstützen, ohne das Netzwerk zu erweitern. Alles, was benötigt wird, sind fähige Satellitenfunkgeräte, die mit DSAC gekoppelt sind.

• Mit dem vorhandenen Deep Space Network kann die Einwegverfolgung in einem höheren Frequenzband als bei der derzeitigen Zweiwegverfolgung durchgeführt werden. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Verfolgungsdaten um das Zehnfache verbessert, wodurch Entfernungsratenmessungen mit nur 0,01 mm / s Fehler erzielt werden.

• Einweg-Uplink-Übertragungen vom Deep Space Network sind sehr leistungsfähig. Sie können von kleineren Satellitenantennen empfangen werden, die ein größeres Sichtfeld haben als die typischen fokussierten Antennen mit hoher Verstärkung, die heute für die Zwei-Wege-Verfolgung verwendet werden. Mit dieser Änderung kann die Mission ohne Unterbrechung wissenschaftliche und Erkundungsaktivitäten durchführen und gleichzeitig hochpräzise Daten für Navigation und Wissenschaft sammeln. Beispielsweise kann die Verwendung von Einwegdaten mit DSAC zur Bestimmung des Schwerefelds von Europa, einem eisigen Jupitermond, in einem Drittel der Zeit erreicht werden, die mit herkömmlichen Zweiwegmethoden bei der aktuellen Flyby-Mission erforderlich ist Entwicklung durch die NASA.

• Das Sammeln von hochpräzisen Einwegdaten an Bord eines Raumfahrzeugs bedeutet, dass die Daten für die Echtzeitnavigation verfügbar sind. Anders als bei der bidirektionalen Verfolgung tritt bei der bodengestützten Datenerfassung und -verarbeitung keine Verzögerung auf. Diese Art der Navigation könnte für die Erforschung von Robotern von entscheidender Bedeutung sein. Dies würde die Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei kritischen Ereignissen verbessern - zum Beispiel, wenn ein Raumschiff in die Umlaufbahn um einen Planeten eintaucht. Es ist auch wichtig für die Erforschung des Menschen, wenn Astronauten genaue Informationen zur Flugbahn in Echtzeit benötigen, um sicher zu entfernten Zielen des Sonnensystems zu navigieren.

Der Next Mars Orbiter (NeMO), der sich derzeit in der Konzeptentwicklung durch die NASA befindet, ist eine Mission, die potenziell von der Einwegfunknavigation und -wissenschaft profitieren könnte, die DSAC ermöglichen würde. Bild über die NASA

Countdown bis zum DSAC-Start

Die DSAC-Mission ist eine gehostete Nutzlast auf dem Weltraumfahrzeug Surrey Satellite Technology Orbital Test Bed. Zusammen mit der DSAC-Demonstrationseinheit werden ein ultrastabiler Quarzoszillator und ein GPS-Empfänger mit Antenne Anfang 2017 mit einer SpaceX Falcon Heavy-Rakete in die Erdumlaufbahn in geringer Höhe starten.

Während der Umlaufbahn wird die weltraumgestützte Leistung der DSAC in einer einjährigen Demonstration gemessen. Dabei werden die Tracking-Daten des Global Positioning System verwendet, um genaue Schätzungen der Umlaufbahn und der Stabilität der DSAC zu ermitteln. Wir werden auch ein sorgfältig ausgearbeitetes Experiment durchführen, um zu bestätigen, dass die auf DSAC basierenden Umlaufbahnschätzungen genauso genau oder besser sind als die, die aus herkömmlichen bidirektionalen Daten ermittelt wurden. Auf diese Weise validieren wir das DSAC-Dienstprogramm für die Einwegfunknavigation im Weltraum.

In den späten 1700er Jahren wurde die Navigation auf hoher See durch John Harrisons Entwicklung der H4-Seewache für immer verändert. Durch die Stabilität der H4 konnten Seeleute die Länge genau und zuverlässig bestimmen, was den Seeleuten bis dahin Jahrtausende zuvor entgangen war. Heutzutage erfordert die Erforschung des Weltraums Entfernungen, die um Größenordnungen größer sind als die Länge der Ozeane, und erfordert Werkzeuge, die für eine sichere Navigation immer präziser werden. DSAC ist bereit, auf diese Herausforderung zu reagieren.

Todd Ely, Principal Investigator für Deep Space Atomic Clock Technologie Demonstrationsmission, Jet Propulsion Laboratory, NASA