Atom Saatleri Uzay Yolculuğunda

Ay’dan daha uzağa seyahat eden uzay araçları, nerede olduklarını ve nereye gittiklerini anlamak için Dünya üzerindeki istasyonlarla iletişime güveniyorlar.

Uzaktaki bir uzay aracının yörüngesini ve rotasını hesaplamak için uzay aracından Dünya’ya ve geriye sinyaller gönderilir. Uzay aracının konumunu tam olarak ölçmek için gerekli olan bu sinyallerin zamanlamasını kaydetmek için Dünya üzerinde buzdolabı boyutunda atomik saatler kullanılıyor. Ancak Mars’taki veya daha uzak noktalardaki robotlar için bu sinyalleri beklemek onlarca dakika hatta saatler sürebilir.

Bu uzay araçları atomik saatler taşıyor olsaydı, kendi konumlarını ve yönlerini hesaplayabilirlerdi, ancak bu saatlerin oldukça kararlı olması gerekirdi. GPS uyduları, Dünya’daki hedeflerimize ulaşmamıza yardımcı olmak için atom saatleri taşır, ancak bu saatlerin gerekli kararlılık seviyesini korumak için günde birkaç kez güncelleme yapılması gerekir. Derin uzay görevleri, daha kararlı uzay tabanlı saatler gerektirecektir.

1950’lerden beri, zaman tutmak için temel standart, yer tabanlı atom saatleri olmuştur. Bu saatler, belirli atomlar tarafından yayılan ışığın çok kararlı ve kesin frekanslarını ölçerek, daha geleneksel mekanik, kuvars kristal saatler tarafından tutulan zamanı düzenlemek için bu verileri kullanırlar. Bu teknikle, onlarca yıl boyunca ultra kararlı kalabilen bir saat sistemi elde edilir. Yer tabanlı atom saatleri olağanüstü derecede hassas olsa da, tasarımları uzay uçuşu için pratik olamayacak kadar hantal, çevresel değişikliklere duyarlı ve aşırı güç tüketen bir yapıdadır. Gezegenimizden öteye gidebilmeleri için minyatürleştirilmeleri ve sağlamlaştırılmaları gerekmektedir.

Tüm atom saatleri, saatin zamanında gerçek zamana karşı bir kaymaya yol açan bir dereceye kadar kararsızlığa sahiptir. Düzeltilmezse, çok küçük bir sapma bile hızla büyür ve uzay aracının navigasyonunda ciddi etkileri olabilir.

NASA’nın Haziran 2019’da bir uydu ile fırlatılan Derin Uzay Atom Saati (DSAC), Dünya yörüngesindeki ilk yılında uzaydaki diğer tüm saatlerden daha iyi performans gösterdi. Araştırmacıların, Nature’da, 30 Haziran’da bildirdiğine göre, DSAC, GPS uydularındaki saatlerden en az 10 kat daha kararlı ve bu da onu geleceğin uzay navigasyon hesapları için yeterince güvenilir kılıyor.

DSAC’ın bu kadar hassas olmasının sebebi, nötr atomlar yerine elektrik yüklü atomları veya iyonları kullanarak zaman tutması. İyonları elektrik alanları içinde hapsetmek, bu atomların kaplarının çeperlerine çarpmasını önler. Bu tür etkileşimler, GPS uydu saatlerindeki nötr atomların ritimlerini kaybetmelerine neden olan en önemli sebeplerdir.

Araştırmacılar, DSAC’ı ABD Deniz Gözlemevi’nin yerdeki hidrojen maser “ana saati” ile karşılaştırarak, uzay saatinin bir gün boyunca yaklaşık 26 pikosaniye veya saniyenin trilyonda biri kadar saptığını buldular.

Ağustos’ta sona erecek DSAC görevinden sonra daha da geliştirilmiş bir üst modeli, DSAC-2, Venüs’e yapılacak bir yolculukta denenerek işe yararlığını kanıtlama fırsatı bulacak.