La NASA manda in orbita un orologio atomico per le future missioni spaziali

Ferrari Innovations

I navigatori della NASA stanno dando un enorme contributo nel costruire un futuro dove i velivoli spaziali potranno in tutta sicurezza volare autonomamente verso destinazioni come Luna e Marte.

I navigatori oggi dicono ad un velivolo spaziale dove andare calcolando la loro posizione dalla Terra ed inviando i dati di posizione nello spazio in un sistema di gestione a doppia via (two-way) che può impiegare da minuti ad ore per fornire delle direzioni. Con questo metodo di navigazione non importa quanto lontano una missione debba viaggiare attraverso il sistema solare, il velivolo spaziale sarà sempre vincolato a terra, in attesa di comandi dal nostro pianeta.

Questa limitazione pone ovvi problemi per una futura missione con equipaggio verso un altro pianeta. Come possono gli astronauti allontanarsi dalla Terra se non hanno un controllo immediato su dove si stanno dirigendo? E come possono atterrare in modo accurato su di un altro pianeta se c'è un ritardo di comunicazione che può influire sulla velocità di correzione della traiettoria nell'atmosfera?

Il Deep Space Atomic Clock della NASA è un dispositivo grande come un tostapane che punta a fornire una risposta a queste domande. È il primo strumento simile ad un GPS sufficientemente piccolo e stabile da poter viaggiare a bordo di un velivolo spaziale. Questa tecnologia dimostra come sia possibile per il velivolo spaziale conoscere la sua posizione senza la necessità di fare affidamento sui dati provenienti dalla Terra.

Il 24 giugno prossimo, NASA lancerà l'orologio con un missile Falcon Heavy di SpaceX, che rimarrà nell'orbita terrestre per un anno. Se l'anno di test del Deep Space Atomic Clock darà risultati positivi, quello sarà il momento in cui si potrà dare il via ad un futuro di navigazioni ad una sola via (one-way) dove gli astronauti potranno essere guidati sulla superficie della Luna o potranno effettuare missioni verso Marte ed oltre, grazie da un sistema simile ad un GPS.

«Ogni velivolo spaziale in esplorazione dello spazio profondo è vincolato a navigatori sulla Terra. Il Deep Space Atomic Clock cambierà tutto ciò permettendo la navigazione autonoma a bordo, o la realizzazione di velivoli spaziali auto-guidati», ha detto Jill Seubert, ingegnere al NASA JPL.

Non c'è GPS nello spazio profondo

Gli orologi atomici nello spazio non sono una novità. Ogni dispositivo GPS e smartphone determina la propria posizione tramite orologi atomici su satelliti orbitanti attorno alla Terra. I satelliti inviano segnali dallo spazio ed il ricevitore triangola la posizione misurando la quantità di tempo che i segnali impiegano a raggiungere il proprio GPS.

Attualmente, un velivolo spaziale che voli oltre l'orbita terrestre non ha un GPS per trovare "la strada" nello spazio. Gli orologi atomici sui satelliti GPS non sono sufficientemente accurati da poter inviare direzioni ad un velivolo spaziale, quando un ritardo di anche meno di un secondo potrebbe far mancare di chilometri un pianeta.

D'altro canto, i navigatori usano enormi antenne sulla Terra per inviare un segnale ad un velivolo spaziale. Questo segnale rimbalza e ritorna sul nostro pianeta. Orologi estremamente precisi sulla Terra poi misurano il tempo impiegato dal segnale per effettuare il suo viaggio di andata e ritorno. La quantità di tempo misurata dice quanto lontano e veloce il velivolo spaziale stia andando. Solo allora i navigatori posso inviare direzioni al velivolo, indicandogli la via da seguire.

«È lo stesso principio di una eco - spiega Seubert -. Se mi piazzo di fronte ad una montagna e urlo, più la montagna è distante più tempo ci impiegherà la eco a tornare verso di me

Navigare a doppia via (two-way) significa che non importa quanto una missione possa inoltrarsi nello spazio profondo, essa dovrà comunque attendere un segnale di comando che attraversi enormi distanze tra i pianeti. Questo è un processo reso famoso da progetti come il lander Curiosity su Marte, dove il mondo ha dovuto attendere assieme al controllo missione per 14 lunghi minuti prima di ottenere un segnale dal rover che ne confermasse l'avvenuto atterraggio in sicurezza. Il ritardo è un tempo di attesa medio: esso dipende dalla posizione della Terra e Marte nelle rispettive orbite, e può richiedere da 4 a 20 minuti perché un segnale di sola andata (one-way) viaggi tra i due pianeti.

Diventa chiaro come questo sia un processo lento e laborioso per poter navigare nello spazio profondo, che obbliga le enormi antenne del Deep Space Network (DSN) della NASA a funzionare come in una linea telefonica occupata. Durante questo scambio di dati, un velivolo spaziale in viaggio a decine di migliaia di chilometri orari potrebbe essere in una posizione completamente differente nel momento in cui riesce a "sapere" dove si trova.

Un miglior modo di navigare

Un orologio atomico piccolo abbastanza da essere portato in missione ma sufficientemente preciso da fornire direzioni accurate potrebbe eliminare la necessità di essere vincolati a questo sistema a due vie. I futuri navigatori invierebbero un segnale dalla Terra ad un velivolo spaziale. Proprio come i suoi cugini terrestri, il Deep Space Atomic Clock a bordo del velivolo misurerebbe la quantità di tempo richiesta dal segnale per raggiungerlo. Il velivolo potrebbe quindi calcolare la sua posizione e traiettoria, auto-fornendosi essenzialmente le direzioni.

«Avere un orologio a bordo darebbe la possibilità di avere a bordo anche la navigazione radio che, combinata con la navigazione ottica, fornirebbe agli astronauti un più accurato e sicuro modo di navigare», ha spiegato Todd Ely, principale ricercatore nel progetto Deep Sapce Atomic Clock.

Questa navigazione ad una via (one-way) ha applicazioni per le future missioni verso Marte e non solo: le antenne del DSN sarebbero in grado di comunicare con più missioni contemporaneamente inviando un segnale nello spazio; la nuova tecnologia migliorerebbe l'accuratezza dei GPS sulla Terra; inoltre, più velivoli spaziali dotati di Deep Space Atomic Clock potrebbero orbitare attorno a Marte, creando una similare rete GPS che potrebbe fornire le direzioni a robot e personale umano sulla superficie marziana.

«Il Deep Space Atomic Clock avrà la possibilità di fornire aiuto nelle navigazioni, non solo localmente, ma anche su altri pianeti. Un modo di pensare ad esso è come se avessimo un GPS su altri pianeti», ha spiegato Eric Burt, capo sviluppo dell'orologio a ioni.

Burt e i colleghi Robert Tjoelker e John Prestage, fisici dell'orologio al JPL, hanno creato un orologio agli ioni di mercurio, che può mantenersi stabile nello spazio allo stesso modo con cui lo farebbero orologi atomici delle dimensioni di un frigorifero qui sulla Terra. Nei test di laboratorio, il Deep Space Atomic Clock si è dimostrato essere 50 volte più accurato degli orologi GPS, con un errore di 1 secondo ogni 10 milioni di anni.

La dimostrazione dell'orologio nello spazio determinerà se sarà in grado di rimanere stabile in orbita. Se il test avrà successo, un Deep Space Atomic Clock potrebbe già entrare a far parte di una missione entro il 2030. Il primo passo verso velivoli auto-pilotati che potrebbero un giorno portare gli esseri umani su altri mondi.

Deep Space Atomic Clock poster

(fonte: NASA, How an Atomic Clock Will Get Humans to Mars on Time)

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