Per viaggiare nello spazio dobbiamo avere un’idea chiara di dove ci troviamo esattamente: una dimostrazione di tecnologia che potrebbe trasformare il modo in cui gli esseri umani esplorano lo spazio è finalmente emersa. Sviluppato dal Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, California, l’orologio atomico è un importante aggiornamento degli orologi satellitari che, per esempio, attivano il GPS sul tuo telefono.

Alla fine, questa nuova tecnologia potrebbe rendere più autonoma la navigazione di veicoli spaziali verso luoghi remoti come Marte. Ma cos’è un orologio atomico? Come vengono usati nella navigazione spaziale, e in che modo un orologio atomico è diverso da un orologio domestico?

Con un errore di solo un secondo su un periodo di fino a 100 milioni di anni, gli orologi atomici sono tra i dispositivi di misurazione del tempo più precisi della storia dell’uomo.

In questo articolo scoprirete perché gli orologi atomici sono così importanti e come funzionano.

Avrete quindi una buona idea di quanto siano importanti nella nostra ricerca di esplorare l’universo e anche negli sviluppi tecnologici sulla terra.

Perché usiamo gli orologi per navigare nello spazio?

Per determinare la distanza di un veicolo spaziale dalla Terra, i navigatori inviano un segnale al veicolo spaziale, che poi lo rimanda alla Terra. Il tempo che il segnale impiega per fare questo viaggio di andata e ritorno rivela la distanza del veicolo spaziale dalla Terra, perché il segnale viaggia ad una velocità assolutamente nota: la velocità della luce.

Anche se questo può sembrare complicato, la maggior parte di noi usa questo concetto ogni giorno. Il negozio di alimentari può essere a 30 minuti a piedi da casa tua. Se sai che puoi camminare per circa un chilometro in 20 minuti, puoi calcolare la distanza dal negozio.

Inviando diversi segnali e prendendo molte misure nel tempo, i navigatori possono calcolare con precisione il percorso di un veicolo spaziale: dove si trova e dove sta andando.

Perché non usare orologi normali per viaggiare nello spazio?

La maggior parte degli orologi moderni, dagli orologi da polso a quelli usati sui satelliti, dicono l’ora usando un oscillatore al quarzo. Questi dispositivi sfruttano il fatto che i cristalli di quarzo vibrano ad una frequenza a volte imprecisa quando viene loro applicata una tensione. Le vibrazioni del cristallo agiscono come il pendolo di un orologio e indicano il tempo trascorso.

Per conoscere la posizione del veicolo spaziale entro un metro, i navigatori hanno bisogno di orologi con una risoluzione temporale incredibilmente precisa – orologi che possono misurare miliardesimi di secondo.

I navigatori hanno anche bisogno di orologi estremamente stabili. La “stabilità” si riferisce alla coerenza con cui un orologio misura un’unità di tempo; la sua misura della durata di un secondo, per esempio, deve essere la stessa (a meglio di un miliardesimo di secondo) per giorni e settimane.

Precisione di un orologio atomico

9,192,631,770

Questo è il numero di oscillazioni di un orologio atomico. Sono progettati per misurare la durata molto precisa di un secondo, l’unità di base del cronometraggio moderno. Il Sistema Internazionale di Unità (SI) definisce il secondo come il tempo che impiega un atomo di cesio 133 in uno stato definito con precisione per oscillare esattamente:

9 miliardi, 192 milioni, 631 mila, 770 volte.

La definizione ufficiale fornisce maggiori dettagli: “Il secondo è la durata di 9.192.631.770 periodi di radiazione corrispondente alla transizione tra i due livelli iperfini dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133″. Questa definizione si riferisce a un atomo di cesio a riposo alla temperatura di 0 Kelvin”.

Principio di funzionamento degli orologi atomici.

In un orologio atomico, le oscillazioni naturali degli atomi agiscono anche come il pendolo di un orologio da pavimento. Tuttavia, gli orologi atomici sono molto, molto più precisi degli orologi convenzionali perché le oscillazioni atomiche hanno una frequenza molto più alta e sono infinitamente più stabili.

Qual è la relazione tra gli atomi e gli orologi?

Come abbiamo visto, gli orologi al quarzo non sono sufficientemente precisi e stabili. Dopo appena un’ora, anche i migliori oscillatori al quarzo possono essere fuori di un nanosecondo (un miliardesimo di secondo). Dopo sei settimane, possono essere fuori di un intero millisecondo (un millesimo di secondo), un errore di distanza di 300 chilometri. Questo avrebbe un impatto enorme sulla misurazione della posizione di un oggetto in rapido movimento o di un veicolo spaziale.

Gli orologi atomici combinano un oscillatore a cristalli di quarzo con una serie di atomi per ottenere una maggiore stabilità. L’orologio atomico della NASA sarà sbagliato di meno di un nanosecondo dopo quattro giorni e meno di un microsecondo (un milionesimo di secondo) dopo dieci anni. Questo equivale a uno spostamento di un solo secondo ogni 10 milioni di anni.

Spiegazione del ruolo degli atomi nel calcolo del tempo.

Gli atomi sono costituiti da un nucleo (composto da protoni e neutroni) circondato da elettroni. Ogni elemento della tavola periodica rappresenta un atomo con un certo numero di protoni nel suo nucleo. Il numero di elettroni che si raggruppano intorno al nucleo può variare, ma devono occupare livelli energetici discreti, o orbitali.

Una scarica di energia sotto forma di microonde può spostare un elettrone in un’orbita superiore attorno al nucleo. L’elettrone deve ricevere esattamente la giusta quantità di energia – il che significa che le microonde devono avere una frequenza molto specifica – per fare questo salto.

L’energia richiesta agli elettroni per cambiare orbita è unica in ogni elemento e costante in tutto l’universo per tutti gli atomi di un dato elemento. Per esempio, la frequenza richiesta agli elettroni di un atomo di carbonio per cambiare livello energetico è la stessa per tutti gli atomi di carbonio nell’universo. L’orologio atomico nello spazio utilizza atomi di mercurio; una frequenza diversa è richiesta per questi elettroni per cambiare livello, e questa frequenza sarà coerente per tutti gli atomi di mercurio.

“Il fatto che la differenza di energia tra queste orbite sia un valore così preciso e stabile è davvero l’ingrediente chiave degli orologi atomici”, ha detto Eric Burt, fisico di orologi atomici al JPL. “Ecco perché gli orologi atomici possono raggiungere un livello di prestazioni più alto degli orologi meccanici.

L’atomo è una misura universale nel tempo.

Essere in grado di misurare questa frequenza immutabile in un particolare atomo fornisce alla scienza una misura universale e standardizzata del tempo. (“Frequenza” si riferisce al numero di onde che passano attraverso un particolare punto nello spazio in una data unità di tempo. Così, contando le onde, è possibile misurare il tempo). Infatti, la misura ufficiale della durata di un secondo è determinata dalla frequenza necessaria per far saltare gli elettroni tra due livelli energetici specifici in un atomo di cesio.

In un orologio atomico, la frequenza dell’oscillatore di cristallo è trasformata in una frequenza che viene applicata a un insieme di atomi. Se la frequenza derivata è corretta, farà sì che molti elettroni negli atomi cambino livello energetico. Se la frequenza non è corretta, salteranno molti meno elettroni. Questo determinerà se l’oscillatore a cristalli è fuori frequenza e di quanto. Una “correzione” determinata dagli atomi può quindi essere applicata all’oscillatore di cristallo per riportarlo alla frequenza corretta. Questo tipo di correzione viene calcolato e applicato all’oscillatore a cristallo ogni pochi secondi nell’orologio atomico spaziale.

Ma cosa c’è di così speciale nell’orologio atomico nello spazio?

Oggi, gli orologi atomici sono utilizzati a bordo dei satelliti GPS che orbitano intorno alla Terra, ma anche questi devono essere aggiornati due volte al giorno per correggere la cosiddetta deriva naturale dell’orologio. Questi aggiornamenti provengono da orologi atomici più stabili sulla terra, ma sono molto grandi (spesso le dimensioni di un frigorifero) e non sono progettati per sopportare le sollecitazioni fisiche di essere nello spazio.

La NASA, sempre all’avanguardia nella tecnologia degli orologi atomici.

Fino a 50 volte più stabile degli orologi atomici dei satelliti GPS, il Deep Space Atomic Clock della NASA è considerato l’orologio atomico più stabile mai inviato nello spazio. Raggiunge questa stabilità utilizzando ioni di mercurio.

Gli ioni sono atomi che hanno una carica elettrica netta, invece di essere elettricamente neutri. In qualsiasi orologio atomico, gli atomi sono contenuti in una camera a vuoto, e in alcuni di questi orologi, gli atomi interagiscono con le pareti della camera a vuoto. I cambiamenti ambientali come la temperatura causano poi cambiamenti simili negli atomi e provocano errori di frequenza. Molti orologi atomici usano atomi neutri, ma poiché gli ioni di mercurio hanno una carica elettrica, possono essere contenuti in una “trappola” elettromagnetica per evitare che questa interazione si verifichi, permettendo all’orologio atomico dello spazio profondo di raggiungere un nuovo livello di precisione.

Per le missioni verso destinazioni lontane come Marte o altri pianeti, tale precisione rende possibile la navigazione autonoma con una comunicazione minima da e verso la Terra – un grande miglioramento rispetto al modo in cui i veicoli spaziali sono attualmente guidati!

Grazie a questo post del blog, ora sai cos’è un orologio atomico e cosa fa. Siete ben consapevoli dei progressi tecnologici che implicano nella nostra ricerca di esplorazione dello spazio.

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