Un nuevo reloj atómico impulsará la navegación espacial

La NASA ha puesto en órbita un reloj atómico del tamaño de una tostadora que usa iones de mercurio y es 50 veces más preciso que los relojes atómicos que en la actualidad equipan a los satélites: muestra una variación de solo 1 segundo cada 10 millones de años.

La NASA controlará su actividad en órbita alrededor de la Tierra a una altitud de 720 km, casi el doble que la Estación Espacial Internacional. El reloj se llama Deep Space Atomic Clock y se lanzó esta semana a bordo del cohete Falcon Heavy de SpaceX.

Los relojes atómicos son la columna vertebral de la navegación por satélite. Cuanto más preciso sea el reloj, mejores serán los datos de ubicación.

El nuevo modelo de reloj atómico actualiza la generación de relojes satelitales y permitirá que la navegación a lugares distantes como Marte sea más autónoma.

Para determinar la distancia de una nave espacial a la Tierra, se envía una señal a la nave espacial, que luego la devuelve a la Tierra. El tiempo que requiere la señal para hacer ese viaje de ida y vuelta revela la distancia de la nave espacial a la Tierra, porque la señal viaja a una velocidad conocida (la velocidad de la luz).

Al enviar múltiples señales y tomar muchas mediciones a lo largo del tiempo, es posible calcular la trayectoria de una nave espacial: dónde está y hacia dónde se dirige.

Relojes de cuarzo

En la actualidad, la mayoría de los relojes, desde los de pulsera hasta los instalados en satélites, miden 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 un ligero voltaje. Las vibraciones del cristal actúan como el péndulo de un reloj antiguo, marcando el paso del tiempo.

Sin embargo, para conocer la posición de una nave espacial,  se necesitan relojes que puedan medir el tiempo en fracciones de mil millonésimas de segundo.

Las naves espaciales 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.

Según los estándares de navegación espacial, los relojes de cristal de cuarzo no son muy estables. En seis semanas, un reloj de cuarzo puede perder hasta una milésima de segundo, lo que para orientar la navegación puede suponer un desvío de hasta 300 kilómetros.

Cuarzo y átomos

Los relojes atómicos, sin embargo, combinan un oscilador de cristal de cuarzo con un conjunto de átomos para lograr una mayor estabilidad.

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 satisfacer las demandas físicas de ir al espacio.

Aunque los relojes atómicos más antiguos datan de los años 50, los relojes atómicos de iones de mercurio solo se han desarrollado en los últimos 20 años.

El Deep Space Atomic Clock se basa  también en átomos de mercurio cargados eléctricamente, confinados en una trampa electromagnética. Cuando se excitan, estos iones oscilan, produciendo "tics" ópticos.

Según la NASA, este reloj atómico es hasta 50 veces más preciso que los osciladores de cesio y rubidio que están actualmente en órbita. Y es tan estable como los relojes atómicos terrestres que calculan la navegación.

Esto significa que, en lugar del actual sistema de señalización de ida y vuelta, el Deep Space Atomic Clock podría usarse para realizar cálculos de navegación directamente a bordo de la nave, después de recibir una señal desde la Tierra.

En consecuencia, permitirá una gestión más rápida de incidencias en los viajes espaciales y un mayor refinamiento de las trayectorias, así como el seguimiento simultáneo de muchas naves espaciales mientras exploran el sistema solar.