Die Menschheit verwendet Uhren, seit wir uns des Zeitbegriffs bewusst geworden sind. Und mit der Verbesserung der Technologie haben sich auch unsere Timing-Methoden verbessert. Heutzutage verlassen sich viele Menschen auf Digitaluhren, um die Zeit zu verfolgen und uns zu sagen, wann wir aufwachen sollen (auch wenn physische Wecker wieder in Mode kommen). Doch für die Strapazen des Weltraums sind diese Uhren zu rudimentär. Oder sollten wir ungenau sagen?
Jedes Mal, wenn die NASA etwas in den Weltraum oder sogar in die Umlaufbahn bringt, ist sie mit einer Atomuhr ausgestattet. Sogar GPS-Satelliten verwenden Atomuhren anstelle herkömmlicher Zeitmessmethoden, da letztere von Natur aus fehlerhaft sind. Keine zwei Uhrmechanismen sind genau gleich; Winzige, kaum wahrnehmbare Unvollkommenheiten stören die Präzision, mit der sie die Zeit messen. Einige Uhren sind aufgrund unkontrollierbarer Nebenwirkungen ihrer Herstellung einfach schneller als andere, was für die Raumfahrt nicht gut geeignet ist. Der kleinste Zeitfehler kann ausreichen, um einen Satelliten daran zu hindern, seine Umlaufbahn beizubehalten und als feuriger künstlicher Komet zur Erde zurückzukehren.
Selbst in einer idealen Welt, in der alle Uhren die Zeit miteinander synchronisieren, sind die meisten noch immer nicht genau genug, um den NASA-Standards zu entsprechen. Digitaluhren messen die Zeit, weil ihre internen Quarzkristalle mit einer bestimmten Frequenz schwingen: 32.768 Mal pro Sekunde. Jedes Mal, wenn der innere Kristall seine 32.768. Schwingung erreicht, zählt dies als eine Sekunde für die Uhr. Zumindest theoretisch. Tatsächlich werden Quarzuhren mit der Zeit langsamer. Nach einer Stunde weichen sie um eine Nanosekunde ab. Nach sechs Wochen beträgt dieser Unterschied mindestens eine Millisekunde. Dieser kumulative Fehler erklärt, warum perfektes Timing äußerst kompliziert ist. Und warum die NASA auf Atomuhren setzt.
Was stimmt nicht mit Atomen und Atomuhren?
Atome sind die Bausteine der Realität. Die Erde besteht aus Atomen. Du bist aus Atomen gemacht. Verdammt, nukleare Explosionen bestehen aus Atomen. Nun, die Atome der Kernelemente spalten sich und setzen Megatonnen Energie frei, aber der Unterschied ist derselbe. Was macht Atome zu perfekten kleinen Zeitmessern? Sie sind 100 % natürlich.
Im Gegensatz zu hergestellten Teilen sind alle Atome eines bestimmten Elements identisch und nutzen sich mit der Zeit nicht ab oder verlangsamen sich nicht. Allerdings sind Atome nicht die kleinsten Teilchen im Universum; Jedes Atom besteht aus einem Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht, sowie einer variablen Anzahl von Elektronen, die den Kern umkreisen. Wenn Atome Energie einer bestimmten Frequenz empfangen, ändern ihre Elektronen ihre Umlaufbahn. Wissenschaftler können genau diese Frequenz messen, um eine genaue Zeitmessung zu erhalten. Na ja, fast genau.
Sicherlich ist die Wissenschaft hinter diesem Timing-Prozess alles andere als zuverlässig. Atomuhren übertragen diese Energiefrequenz mithilfe von Quarzkristalloszillatoren, die, wie wir bereits festgestellt haben, im besten Fall ungenau sind. Normalerweise ist die Schwingungsfrequenz von Quarz korrekt, was dazu führt, dass die meisten Elektronen ihre Umlaufbahnen wechseln. Manchmal ist dies jedoch nicht der Fall und nur wenige ändern ihre Umlaufbahnen. Atomuhren können die Änderungen berechnen, die erforderlich sind, um den Quarzoszillator wieder auf Kurs zu bringen. Diese Selbstkorrektur macht Atomuhren viel genauer als andere künstliche Uhren.
Im Weltraum hört niemand, dass Sie nach einem Update fragen
Alle GPS-Satelliten nutzen zur Synchronisierung Atomuhren und bleiben mit der Erde in Kontakt. Nicht nur, weil viele Menschen immer noch tragbare GPS-Geräte verwenden, die auf diese Satelliten angewiesen sind, sondern auch, um Zeitaktualisierungen zu erhalten. Es stellt sich heraus, dass GPS-Atomuhren zwar genau sind, aber dennoch Korrekturen von größeren, stabileren bodengestützten Uhren erfordern, die im Weltraum nicht überleben können. Aber die NASA entwickelt spezielle Atomuhren, die weit von der Erde entfernt funktionieren können.
Die Deep Space Atomic Clock (DSAC) ist eine relativ neue Form der Atomuhr. Dieser erstmals 2019 eingeführte Weltraumchronometer miniaturisiert die in den oben genannten terrestrischen Atomuhren verwendete Technologie und reduziert gleichzeitig den Energiebedarf. Der geheime Bestandteil von DSAC und seinen Fähigkeiten ist Quecksilber, insbesondere Quecksilberionen. Normalerweise sind Atome in Vakuumkammern untergebracht und jegliche Umgebungsveränderungen können Frequenzfehler verursachen. Während die meisten Atomuhren neutrale Atome verwenden, tragen Quecksilberionen eine Ladung, was bedeutet, dass sie in einer „elektromagnetischen Falle“ bleiben können, die den Verwüstungen des Weltraums nicht ausgesetzt ist.
Letztendlich könnte DSAC 50-mal präziser sein als die Atomuhren von GPS-Satelliten. Es unterliegt immer noch einigen natürlichen Fehlern, aber die DSAC-Drift beträgt nur alle vier Tage weniger als eine Nanosekunde. Dies entspricht einem kumulativen Fehler von einer Sekunde nach 10 Millionen Jahren. Es ist nicht perfekt, aber es ist nicht so, dass irgendjemand lange genug leben wird, um es zu bemerken. Wenn wir endlich den Mars erreichen, besteht eine gute Chance, dass unsere Raketen die DSAC-Timing-Technologie nutzen werden.