¿Qué es un reloj atómico?
El reloj atómico del espacio profundo.
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| Tres carteles gratuitos de la NASA celebran el Deep Space Atomic Clock, un dispositivo del tamaño de una tostadora que podría cambiar la forma en que las naves navegan en lugares distantes como Marte. Crédito: NASA / JPL-Caltech |
El reloj no se detiene: una demostración de tecnología que podría transformar la forma en que los humanos exploran el espacio se aproxima a su fecha de lanzamiento prevista para el 24 de junio de 2019. Desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California, el Reloj Atómico del Espacio Profundo es una importante actualización para los relojes atómicos satelitales que, por ejemplo, habilitan el GPS en su teléfono.
En última instancia, esta nueva tecnología podría hacer que la navegación de la nave espacial a lugares distantes como Marte sea más autónoma. Pero, ¿qué es un reloj atómico? ¿Cómo se utilizan en la navegación espacial y qué hace que el reloj atómico de espacio profundo sea diferente? Sigue leyendo para obtener todas las respuestas.
¿Por qué usamos relojes para navegar en el espacio?
Para determinar la distancia de una nave espacial a la Tierra, los navegadores envían una señal a la nave espacial, que luego la devuelve a la Tierra. El tiempo que requiere la señal para hacer ese viaje de dos vías revela la distancia de la nave espacial a la Tierra, porque la señal viaja a una velocidad conocida (la velocidad de la luz).
Si bien puede parecer complicado, la mayoría de nosotros usamos este concepto todos los días. La tienda de comestibles podría estar a 30 minutos a pie de su casa. Si sabe que puede caminar aproximadamente una milla en 20 minutos, puede calcular la distancia a la tienda.
Al enviar múltiples señales y tomar muchas mediciones a lo largo del tiempo, los navegadores pueden calcular la trayectoria de una nave espacial: dónde está y hacia dónde se dirige.
La mayoría de los relojes modernos, desde los relojes de pulsera hasta los utilizados en satélites, mantienen el tiempo usando un oscilador de cristal de cuarzo. Estos dispositivos aprovechan el hecho de que los cristales de cuarzo vibran a una frecuencia precisa cuando se les aplica voltaje. Las vibraciones del cristal actúan como el péndulo de un reloj de abuelo, marcando cuánto tiempo ha pasado.
Para conocer la posición de la nave dentro de un metro, los navegadores necesitan relojes con resolución de tiempo de precisión, relojes que pueden medir mil millonésimas de segundo.
Los navegadores también necesitan relojes que sean extremadamente estables. "Estabilidad" se refiere a la consistencia con que un reloj mide una unidad de tiempo; su medida de la duración de un segundo, por ejemplo, debe ser la misma (mejor que una mil millonésima de segundo) en días y semanas.
¿Qué tienen que ver los átomos con los relojes?
Según los estándares de navegación espacial, los relojes de cristal de cuarzo no son muy estables. Después de solo una hora, incluso los osciladores de cuarzo de mejor rendimiento pueden estar apagados por un nanosegundo (una mil millonésima parte de un segundo). Después de seis semanas, pueden estar apagados por un milisegundo completo (una milésima de segundo), o un error de distancia de 185 millas (300 kilómetros). Eso tendría un gran impacto en la medición de la posición de una nave espacial en rápido movimiento.
Los relojes atómicos combinan un oscilador de cristal de cuarzo con un conjunto de átomos para lograr una mayor estabilidad. El reloj atómico de espacio profundo de la NASA estará apagado en menos de un nanosegundo después de cuatro días y menos de un microsegundo (una millonésima de segundo) después de 10 años. Esto es equivalente a estar apagado por solo un segundo cada 10 millones de años.
Los átomos están compuestos por un núcleo (formado por protones y neutrones) rodeado de electrones. Cada elemento en la tabla periódica representa un átomo con un cierto número de protones en su núcleo. El número de electrones que pululan alrededor del núcleo puede variar, pero deben ocupar niveles de energía discretos u órbitas.
Una sacudida de energía, en forma de microondas, puede hacer que un electrón suba a una órbita más alta alrededor del núcleo. El electrón debe recibir exactamente la cantidad correcta de energía (es decir, las microondas deben tener una frecuencia muy específica) para poder realizar este salto.
La energía requerida para hacer que los electrones cambien las órbitas es única en cada elemento y es consistente en todo el universo para todos los átomos de un elemento dado. Por ejemplo, la frecuencia necesaria para hacer que los electrones en un átomo de carbono cambien los niveles de energía es la misma para cada átomo de carbono en el universo. El reloj atómico del espacio profundo utiliza átomos de mercurio; se necesita una frecuencia diferente para hacer que esos electrones cambien de nivel, y esa frecuencia será consistente para todos los átomos de mercurio.
"El hecho de que la diferencia de energía entre estas órbitas sea un valor tan preciso y estable es realmente el ingrediente clave para los relojes atómicos", dijo Eric Burt, un físico del reloj atómico en JPL. "Es la razón por la que los relojes atómicos pueden alcanzar un nivel de rendimiento más allá de los relojes mecánicos".
Ser capaz de medir esta frecuencia inmutable en un átomo particular ofrece a la ciencia una medida universal y estandarizada del tiempo. ("Frecuencia" se refiere al número de ondas que pasan por un punto particular en el espacio en una unidad de tiempo determinada. Por lo tanto, al contar las ondas, es posible medir el tiempo). De hecho, la medición oficial de la longitud de un segundo es determinada por la frecuencia necesaria para hacer que los electrones salten entre dos niveles de energía específicos en un átomo de cesio.
En un reloj atómico, la frecuencia del oscilador de cuarzo se transforma en una frecuencia que se aplica a una colección de átomos. Si la frecuencia derivada es correcta, causará que muchos electrones en los átomos cambien los niveles de energía. Si la frecuencia es incorrecta, muchos menos electrones saltarán. Esto determinará si el oscilador de cuarzo está fuera de frecuencia y en qué medida. Una "corrección" determinada por los átomos se puede aplicar al oscilador de cuarzo para dirigirlo de nuevo a la frecuencia correcta. Este tipo de corrección se calcula y se aplica al oscilador de cuarzo cada pocos segundos en el reloj atómico del espacio profundo.
¿Qué tiene de especial el reloj atómico de espacio profundo?
Los relojes atómicos se utilizan a bordo de satélites GPS que orbitan la Tierra, pero incluso deben enviarse actualizaciones dos veces al día para corregir la deriva natural de los relojes. Esas actualizaciones provienen de relojes atómicos más estables en el suelo que son grandes (a menudo del tamaño de un refrigerador) y no están diseñados para sobrevivir las demandas físicas de ir al espacio.
Hasta 50 veces más estable que los relojes atómicos en los satélites GPS, el Reloj atómico del espacio profundo de la NASA está destinado a ser el reloj atómico más estable jamás volado en el espacio. Logra esta estabilidad mediante el uso de iones de mercurio.
Los iones son átomos que tienen una carga eléctrica neta, en lugar de ser eléctricamente neutros. En cualquier reloj atómico, los átomos están contenidos en una cámara de vacío, y en algunos de esos relojes, los átomos interactúan con las paredes de la cámara de vacío. Los cambios ambientales, como la temperatura, causarán cambios similares en los átomos y conducirán a errores de frecuencia. Muchos relojes atómicos usan átomos neutros, pero como los iones de mercurio tienen una carga eléctrica, pueden estar contenidos en una "trampa" electromagnética para evitar que ocurra esta interacción, permitiendo que el Reloj Atómico del Espacio Profundo alcance un nuevo nivel de precisión.
Para misiones que van a destinos lejanos como Marte u otros planetas, tal precisión hace posible la navegación autónoma con una comunicación mínima hacia y desde la Tierra, una gran mejora en la forma en que se navega actualmente la nave espacial.
El Deep Space Atomic Clock está alojado en una nave espacial provista por General Atomics Electromagnetic Systems de Englewood, Colorado. Es patrocinado por el programa de Misiones de Demostración de Tecnología dentro de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la NASA y el Programa de Navegación y Comunicaciones Espaciales dentro de la Dirección de Misiones de Operaciones y Exploración Humana de la NASA. JPL gestiona el proyecto.
Arielle Samuelson
Laboratorio de Propulsión a Chorro, Pasadena, California.
818-354-0307
Última actualización: 19 de junio de 2019, enlace publicación.
Editor: Jon Nelson
