Heures supplémentaires : l’horloge atomique de l’espace lointain de la NASA termine avec succès sa mission

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Heures supplémentaires : l'horloge atomique de l'espace lointain de la NASA termine avec succès sa mission
Banc d'essai orbital de systèmes électromagnétiques d'atomes généraux d'horloge atomique d'espace lointain

Cette illustration montre la démonstration de la technologie Deep Space Atomic Clock de la NASA et le vaisseau spatial General Atomics Orbital Test Bed qui l’héberge. Les engins spatiaux pourraient un jour dépendre de tels instruments pour naviguer dans l’espace lointain. Crédit : NASA

Visant à améliorer la navigation des engins spatiaux, la démonstration technologique a fonctionné beaucoup plus longtemps que prévu et a battu le record de stabilité des horloges atomiques dans l’espace.

Depuis plus de deux ans, NasaL’horloge atomique de l’espace lointain repousse les frontières du chronométrage dans l’espace. Le 18 septembre 2021, sa mission s’est achevée avec succès.

L’instrument est hébergé sur le vaisseau spatial Orbital Test Bed de General Atomics qui a été lancé à bord de la mission du programme d’essais spatiaux 2 du ministère de la Défense le 25 juin 2019. Son objectif : tester la faisabilité de l’utilisation d’une horloge atomique embarquée pour améliorer la navigation de l’engin spatial dans l’espace lointain .

L'horloge atomique de l'espace lointain de la NASA

L’horloge atomique de l’espace lointain mesure environ 10 pouces (25 centimètres) de chaque côté, soit à peu près la taille d’un grille-pain. Sa conception compacte était une exigence clé, et une itération encore plus petite volera à bord du vaisseau spatial VERITAS de la NASA. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Actuellement, les engins spatiaux reposent sur des horloges atomiques au sol. Pour mesurer la trajectoire d’un vaisseau spatial lorsqu’il voyage au-delà de la Lune, les navigateurs utilisent ces chronométreurs pour suivre avec précision quand ces signaux sont envoyés et reçus. Parce que les navigateurs savent que les signaux radio voyagent à la vitesse de la lumière (environ 186 000 miles par seconde, ou 300 000 kilomètres par seconde), ils peuvent utiliser ces mesures de temps pour calculer la distance exacte, la vitesse et la direction de déplacement du vaisseau spatial.

Mais plus un vaisseau spatial est éloigné de la Terre, plus il faut de temps pour envoyer et recevoir des signaux – de plusieurs minutes à quelques heures – retardant considérablement ces calculs. Avec une horloge atomique embarquée couplée à un système de navigation, le vaisseau spatial pourrait immédiatement calculer où il se trouve et où il va.

Lancement de l'horloge atomique de l'espace lointain

L’horloge atomique de l’espace lointain a été lancée sur une fusée SpaceX Falcon Heavy dans le cadre de la mission Space Test Program-2 (STP-2) du ministère de la Défense depuis le complexe de lancement 39A au Kennedy Space Center de la NASA en Floride le mardi 25 juin 2019. Crédit : NASA/Joel Kowsky

Construite par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, l’horloge atomique Deep Space est une horloge atomique à ions mercure ultra-précise enfermée dans une petite boîte mesurant environ 25 centimètres de chaque côté, soit à peu près la taille d’un grille-pain. . Conçue pour survivre aux rigueurs du lancement et à l’environnement spatial froid et à rayonnement élevé sans que ses performances de chronométrage ne se dégradent, l’horloge atomique de l’espace lointain était une démonstration technologique destinée à réaliser des premières technologiques et à combler des lacunes critiques dans les connaissances.


Regardez cette vidéo explicative pour découvrir pourquoi il est essentiel de garder l’heure avec précision dans l’espace et comment l’horloge atomique de l’espace lointain de la NASA rendra les futurs engins spatiaux moins dépendants de la Terre pour naviguer de manière autonome. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Une fois que l’instrument a terminé sa mission principale d’un an en orbite terrestre, la NASA a prolongé la mission pour collecter plus de données en raison de sa stabilité de chronométrage exceptionnelle. Mais avant la mise hors tension de la démo technique le 18 septembre, la mission a travaillé des heures supplémentaires pour extraire autant de données que possible dans ses derniers jours.

“La mission Deep Space Atomic Clock a été un succès retentissant, et le joyau de l’histoire ici est que la démonstration technologique a fonctionné bien au-delà de sa période opérationnelle prévue”, a déclaré Todd Ely, chercheur principal et chef de projet au JPL.

Les données de l’instrument pionnier aideront à développer Deep Space Atomic Clock-2, une démonstration technologique qui se rendra à Vénus à bord du vaisseau spatial Venus Emissivity, Radio Science, InSAR, Topography & Spectroscopy (VERITAS) de la NASA lors de son lancement d’ici 2028. Ce sera le premier test pour une horloge atomique dans l’espace lointain et une avancée monumentale pour une autonomie accrue du vaisseau spatial.

La stabilité est tout

Bien que les horloges atomiques soient les garde-temps les plus stables de la planète, elles présentent toujours des instabilités qui peuvent provoquer un minuscule décalage, ou « décalage », entre l’heure des horloges et l’heure réelle. S’ils ne sont pas corrigés, ces décalages s’additionneront et pourraient entraîner de grosses erreurs de positionnement. Des fractions de seconde pourraient faire la différence entre arriver en toute sécurité à Mars ou manquer complètement la planète.

Des mises à jour peuvent être transmises de la Terre au vaisseau spatial pour corriger ces décalages. Les satellites du système de positionnement global (GPS), par exemple, transportent des horloges atomiques pour nous aider à nous rendre d’un point A à un point B. Pour s’assurer qu’ils gardent l’heure avec précision, des mises à jour doivent leur être fréquemment transmises depuis le sol. Mais devoir envoyer des mises à jour fréquentes de la Terre à une horloge atomique dans l’espace lointain ne serait pas pratique et irait à l’encontre de l’objectif d’en équiper un vaisseau spatial.

C’est pourquoi une horloge atomique sur un vaisseau spatial explorant l’espace lointain devrait être aussi stable que possible dès le départ, lui permettant d’être moins dépendante de la Terre pour être mise à jour.

“L’horloge atomique de l’espace lointain a atteint cet objectif”, a déclaré Eric Burt du JPL, physicien de l’horloge atomique pour la mission. « Nous avons atteint un nouveau record pour la stabilité à long terme de l’horloge atomique dans l’espace – plus d’un ordre de grandeur mieux que les horloges atomiques GPS. Cela signifie que nous avons maintenant la stabilité pour permettre une plus grande autonomie dans les missions spatiales lointaines et potentiellement rendre les satellites GPS moins dépendants des mises à jour biquotidiennes s’ils transportaient notre instrument.

Affiches de l'horloge atomique de l'espace lointain

Trois affiches accrocheuses présentant l’horloge atomique de l’espace lointain et comment les futures versions de la démo technologique peuvent être utilisées par les engins spatiaux et les astronautes sont disponible en téléchargement ici. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Dans une étude récente, l’équipe Deep Space Atomic Clock a signalé un écart de moins de quatre nanosecondes après plus de 20 jours de fonctionnement.

Comme son prédécesseur, le Deep Space Atomic Clock-2 sera une démonstration technologique, ce qui signifie que VERITAS ne dépendra pas d’elle pour atteindre ses objectifs. Mais cette prochaine itération sera plus petite, utilisera moins d’énergie et sera conçue pour prendre en charge une mission pluriannuelle comme VERITAS.

“C’est une réalisation remarquable de l’équipe – la démonstration technologique s’est avérée être un système robuste en orbite, et nous attendons maintenant avec impatience de voir une version améliorée aller sur Vénus”, a déclaré Trudy Kortes, directrice des démonstrations technologiques pour Science de la NASA. et la Direction des missions technologiques (STMD) au siège de la NASA à Washington. « C’est ce que fait la NASA : nous développons de nouvelles technologies et améliorons celles qui existent déjà pour faire progresser les vols spatiaux humains et robotiques. L’horloge atomique de l’espace lointain a vraiment le potentiel de transformer la façon dont nous explorons l’espace lointain.

Jason Mitchell, directeur de la division Advanced Communications & Navigation Technology du Space Communications and Navigation (SCaN) de la NASA au siège de l’agence, a convenu : « Les performances de l’instrument étaient vraiment exceptionnelles et témoignent de la capacité de l’équipe. À l’avenir, non seulement l’horloge atomique de l’espace lointain permettra de nouvelles capacités opérationnelles importantes pour les missions d’exploration humaine et robotique de la NASA, mais elle pourrait également permettre une exploration plus approfondie de la physique fondamentale de la relativité, un peu comme l’ont fait les horloges prenant en charge le GPS.

En savoir plus sur la mission

L’horloge atomique de l’espace lointain est hébergée sur un vaisseau spatial fourni par General Atomics Electromagnetic Systems d’Englewood, Colorado. Il est parrainé par le programme de missions de démonstration technologique de STMD situé au Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, et par SCaN au sein de la Direction des missions d’exploration et d’opérations humaines de la NASA. JPL gère le projet.

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