Deep Space Atomic Clock (DSAC), niewielkie urządzenie, oferuje ogromną precyzję i stabilność. Jego sekret polega na zastosowaniu jonów rtęci. Jon jest to atom lub grupa atomów połączonych wiązaniami chemicznymi, która ma niedomiar lub nadmiar elektronów w stosunku do protonów; obojętne elektrycznie atomy i cząsteczki związków chemicznych posiadają równą liczbę elektronów i protonów, natomiast jony są elektrycznie naładowane dodatnio lub ujemnie.
„To technologia, która zrewolucjonizuje eksplorację przestrzeni pozaziemskiej" – tak NASA określa swój nowy klejnot. Zbudowali go inżynierowie i fizycy z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii. Zapewniają, że jest „50 razy dokładniejsze niż urządzenia aktualnie używane przez GPS, które muszą się synchronizować dwa razy na dobę z bardziej precyzyjnymi zegarami funkcjonującymi na Ziemi".
Toster zamiast lodówki
Te ziemskie zegary atomowe, wielkości lodówki, są za duże i za mało wytrzymałe, aby wysyłać je w kosmos. Tymczasem Deep Space Atomic Clock – według określenia NASA – „nie jest większy od tostera do opiekania grzanek".
Obecnie to ziemskie zegary atomowe określają pozycje sond kosmicznych, mierząc czas, jaki upływa między wysłaniem sygnału a jego powrotem po odbiciu się od danego obiektu – to zasada, na jakiej funkcjonuje GPS. Im dłuższy dystans między miejscem, z którego wysłany jest sygnał, a obiektem, od którego ten sygnał się odbija i powraca, tym większy jest margines błędu. W takiej sytuacji nawet minimalny błąd urasta do niebotycznych rozmiarów.
Mały duży błąd
Na przykład przesunięcie rzędu jednej nanosekundy (jedna miliardowa sekundy) podczas lotu sondy kosmicznej po sześciu tygodniach tworzy milisekundę (jedną tysięczną sekundy), co odpowiada dystansowi 300 kilometrów . W przypadku lądowania na Marsie po wielomiesięcznym locie oznacza to pewną katastrofę w miejscu bardzo oddalonym od pierwotnie wybranego regionu lądowania. Niedokładność nowego atomowego zegara Deep Space Atomic Clock wyniesie mniej niż jedną nanosekundę na dziesięć dni, co oznacza sekundę na 10 milionów lat.
W jaki sposób udało się uzyskać taką dokładność? W uproszczeniu zasada działania zegarów atomowych zasadza się na różnicy między poziomami energetycznymi w atomie (mierzonymi częstotliwością długości fal) – chodzi o energię, jakiej potrzebuje elektron do przejścia z niższego na wyższy poziom w atomie.
Częstotliwość ta jest specyficzna dla każdego pierwiastka i niezmienna we wszechświecie. Na przykład sekunda definiowana jest przez częstotliwość, z jaką elektron atomu cezu przechodzi z poziomu niższego na wyższy.
Unikać zderzeń
Problem polega na tym, że pomiar tej częstotliwości zmienia się w zależności od zderzeń atomów między sobą. Aby uniknąć tego zjawiska i spowolnić atomy, należy obniżyć do maksimum temperaturę i ciśnienie; oto dlaczego najdokładniejsze dziś zegary atomowe oparte są na atomach schłodzonych do temperatury bliskiej zera absolutnego (minus 273,15 st. C). Ale to i tak nie nie rozwiązuje problemu zderzeń atomów, ponieważ zderzają się one także ze ściankami pojemnika, w którym są umieszczone.
Właśnie w tym miejscu pojawia się podstawowa innowacja Deep Space Atomic Clock: zamiast atomów rtęci posłużono się jonami o dodatnim ładunku elektrycznym. Jeśli ścianki pojemnika mają ładunek dodatni, odpychają dodatnie jony – w ten sposób jony są ograniczone, pozostają wewnątrz pojemnika, nie uderzają o niego. Nie odbijają się też o siebie – jako nacechowane takim samym dodatnim ładunkiem.
Deep Space Atomic Clock przejdzie najpierw roczny test na pokładzie satelity OTB-1; jeśli próba wypadnie pomyślnie, w zegary takie będą wyposażone przyszłe sondy kosmiczne NASA w obrębie Układu Słonecznego i poza nim.
Na Ziemi najbardziej precyzyjnym obecnie zegarem atomowym jest urządzenie zbudowane w 2018 roku w USA w National Institute of Standards and Technology: mierzy czas z dokładnością jednej sekundy na 14 miliardów lat.
