Il Deep Space Atomic Clock in un'elaborazione grafica, sullo sfondo il General Atomics Electromagnetic Systems Orbital Test Bed su cui è montato (NASA)

Questo orologio cambierà l’esplorazione dello Spazio profondo?

La NASA sta risolvendo uno dei più grandi problemi per sonde e astronavi: sapere dove si trovano

di Emanuele Menietti – @emenietti
Il Deep Space Atomic Clock in un'elaborazione grafica, sullo sfondo il General Atomics Electromagnetic Systems Orbital Test Bed su cui è montato (NASA)

Da un paio di anni in orbita intorno alla Terra c’è un orologio atomico che potrebbe cambiare l’esplorazione dello Spazio profondo con sonde, robot ed eventualmente un giorno con gli esseri umani in viaggio verso Marte. Poco più grande di un tostapane, il Deep Space Atomic Clock (DSAC) della NASA ha terminato la propria missione ad agosto e ha dimostrato di essere estremamente accurato nella misurazione dello scorrere del tempo: e un buon orologio è essenziale per sapere dove sono le cose nello Spazio.

Quando vediamo le immagini del lancio di una sonda spaziale, pensiamo soprattutto agli scopi della sua missione, ma meno ad altri aspetti più pratici sul suo viaggio e sul modo in cui tenere traccia dei suoi spostamenti qui sulla Terra. Il GPS, il sistema che fa funzionare i sistemi di navigazione geografica sui nostri smartphone, non funziona ovviamente con le sonde e i robot spaziali, ma il metodo impiegato per tenere sott’occhio gli spostamenti di questi ultimi non è poi molto differente.

Dov’è?
Per sapere dove si trova un oggetto in viaggio nello Spazio, si invia verso l’oggetto un segnale radio dalla Terra, che lo raggiunge e viene poi spedito indietro. Il tempo impiegato dal segnale per andare e tornare consente di calcolare la distanza dell’oggetto dalla Terra, perché il segnale viaggia a una velocità conosciuta (la velocità della luce, 300mila chilometri al secondo).

Il calcolo è piuttosto banale: moltiplicando la velocità per il tempo si può calcolare lo spazio. È un po’ come quando si deve stimare la distanza dal bar vicino a casa per andare a prendere un caffè: se sappiamo che dista 5 minuti a piedi e sappiamo di coprire un chilometro a piedi in 10 minuti, significa che il bar è a 500 metri da casa.

Se in un certo intervallo di tempo si inviano e ricevono più segnali dalla Terra all’oggetto nello Spazio, si possono fare ulteriori calcoli che permettono di sapere non solo la distanza, ma anche la traiettoria seguita. In questo modo si può quindi sapere come si sta muovendo una sonda alle prese con un viaggio tra i pianeti (interplanetario) e verso che direzione è diretta. L’informazione non è solo importante per chi gestisce la missione spaziale qui sulla Terra, ma anche per i sistemi di navigazione della sonda.

Il problema è che più la sonda è distante dalla Terra, più tempo ci vuole per inviare e ricevere il segnale. In un sistema a doppia via, nel quale un segnale viene inviato alla sonda che lo rinvia alla Terra che lo rinvia nuovamente alla sonda per farle sapere a che distanza si trova, possono occorrere decine di minuti prima di completare una comunicazione.

Un’ipotetica astronave in viaggio verso Marte potrebbe impiegare fino a 40 minuti prima di sapere dove si trova, ma quell’informazione non avrebbe più molto senso considerato che un’astronave si muove a decine di migliaia di chilometri all’ora. (Non sarebbe pratico nemmeno qui sulla Terra se il GPS avesse tempi di risposta così lunghi, a dirla tutta.)

Un sistema che consentisse all’astronave di determinare la propria posizione dopo avere ricevuto il primo segnale dalla Terra risolverebbe molti problemi, ma per poterlo fare dovrebbe avere a bordo un orologio super preciso come quelli atomici che usiamo sul nostro pianeta.

Orologi atomici
La misurazione del tempo trascorso tra l’invio e il ritorno del segnale deve essere infatti estremamente precisa, e per questo si utilizzano gli orologi atomici. Quelli a disposizione sulla Terra fanno un ottimo lavoro, ma i più stabili e precisi sono ingombranti e poco adatti per lo Spazio.

Per determinare la posizione di una sonda con un’approssimazione di un metro, servono orologi in grado di misurare i miliardesimi di secondo. Devono essere inoltre estremamente “stabili”, cioè devono scandire in modo affidabile un secondo senza andare indietro o avanti nel corso del tempo, un problema che riguarda tutti gli orologi e che per questo deve essere mitigato il più possibile.

Gli orologi da polso o quelli nei computer e negli smartphone tengono il tempo utilizzando un oscillatore al quarzo. In pratica sfruttano una particolare caratteristica dei cristalli di quarzo: quando viene applicata una corrente elettrica, questi vibrano e lo fanno mantenendo costante il numero di vibrazioni al secondo (frequenza). Le vibrazioni sono l’equivalente delle oscillazioni del pendolo nei vecchi orologi, e grazie a esse si può calcolare quanto tempo è passato.

L’introduzione degli orologi al quarzo alla fine degli anni Venti del Novecento rivoluzionò il nostro modo di tenere il tempo, ma non risolse completamente il problema della stabilità. Dopo un’ora di utilizzo, un oscillatore al quarzo si perde per strada in media un miliardesimo di secondo, in un mese e mezzo si può arrivare a un millesimo di secondo, troppo per misurare accuratamente la distanza di un oggetto nello Spazio in continuo movimento ad alta velocità.

Come suggerisce il nome, gli orologi atomici utilizzano gli atomi per correggere gli oscillatori al quarzo. Ogni atomo di un elemento è formato da un nucleo (protoni e neutroni) intorno ai quali ci sono un certo numero di elettroni a determinate distanze, o per meglio dire livelli di energia (orbitali). È sufficiente una piccola quantità di energia, sotto forma di microonde, per indurre un elettrone a passare a un livello energetico maggiore. Perché ciò accada, l’ammontare di energia deve essere ben calibrato, le microonde devono cioè avere la giusta frequenza.

Nello stato eccitato, ovvero lo stato in cui l’elettrone assorbe energia, l’elettrone passa da un livello energetico inferiore (stato fondamentale) a un livello energetico superiore (stato eccitato) (Zanichelli)

Questa quantità di energia varia per ogni elemento, ma per ciascun atomo di uno specifico elemento è sempre la stessa ovunque ci si trovi, anche nella zona più remota e sperduta del nostro Sistema solare e non solo. La frequenza necessaria per modificare ciascuno dei livelli energetici degli elettroni in un atomo di carbonio, per esempio, è uguale in tutto l’Universo. È questa la chiave per misurare accuratamente il tempo.

In un orologio atomico, la frequenza dell’oscillatore al quarzo viene trasformata nella frequenza delle microonde con cui colpire un gruppo di atomi. Se questa frequenza è corretta, molti elettroni intorno all’atomo cambieranno il loro livello energetico, mentre se non è corretta il passaggio riguarderà solo alcuni di loro. Sapendo quale deve essere la giusta frequenza per ottenere il passaggio, si può calcolare quanto sia l’errore dell’oscillatore al quarzo e lo si può riportare alla giusta frequenza.

Il NIST-F2, uno degli orologi atomici utilizzati per scandire il tempo e l’ora ufficiali degli Stati Uniti (Wikimedia)

Questo processo di verifica e correzione può essere effettuato sulla Terra grazie a orologi atomici molto raffinati ed elaborati, mentre è più complicato da realizzare nello Spazio. Ciascuno dei satelliti per il GPS in orbita intorno alla Terra utilizza orologi atomici, ma non sono stabili a sufficienza ed è necessario correggerli tramite le misurazioni più affidabili degli orologi atomici al suolo.

Deep Space Atomic Clock
Un problema analogo interessa altri tipi di satelliti e le sonde che le agenzie spaziali inviano nello Spazio profondo per analizzare ed esplorare pianeti lontani, come Marte, Giove o Saturno. Un orologio a bordo più affidabile renderebbe più semplice la loro navigazione autonoma, ed è su questo che si è concentrato il lavoro dei ricercatori che hanno sviluppato il Deep Space Atomic Clock (DSAC).

Il DSAC è stato sviluppato per utilizzare atomi di mercurio, invece di quelli di cesio solitamente impiegati per gli orologi atomici. In particolare, utilizza ioni di mercurio (atomi carichi elettricamente) per superare un problema che finora aveva reso difficile l’impiego degli orologi atomici nell’ambiente spaziale.

Deep Space Atomic Clock (DSAC)

In un orologio atomico, gli atomi sono conservati in una camera nella quale viene creato il vuoto, ma può accadere che gli atomi interagiscano con le sue pareti. Inoltre, cambiamenti dell’ambiente in cui sono conservati (per esempio di temperatura) possono interferire con gli atomi e determinare errori. Utilizzando ioni di mercurio, che hanno una carica elettrica, i ricercatori hanno potuto creare una sorta di gabbia elettromagnetica che impedisce agli atomi di essere disturbati dall’ambiente circostante.

A due anni di distanza dal suo arrivo in orbita, il DSAC ha confermato di essere molto più accurato nella misurazione del tempo rispetto agli orologi atomici impiegati sui satelliti come quelli per il GPS. In un articolo pubblicato sulla rivista scientifica Nature a ridosso della fine della missione, i ricercatori della NASA hanno segnalato che il loro orologio atomico aveva perso meno di quattro miliardesimi di secondo nel corso di 23 giorni; il dispositivo perderebbe fino a un secondo in un millennio circa di utilizzo. Gli orologi terrestri continuano a essere più accurati, ma i ricercatori ritengono che il risultato di DSAC sia molto promettente e già sufficiente per immaginare futuri impieghi sulle sonde spaziali.

Con un orologio a bordo preciso a sufficienza, avranno sempre bisogno di ricevere un primo segnale dalla Terra, per calcolare l’intervallo di tempo e da questa derivare posizione e direzione, ma non avranno bisogno di inviare un segnale indietro e di attenderne un altro, perché potranno fare tutto autonomamente in tempo reale.

Visti i risultati oltre le attese di DSAC, i ricercatori della NASA hanno ora in progetto di sviluppare una versione più piccola del loro orologio atomico, che sarà poi montato sulla sonda della missione VERITAS per l’osservazione di Venere. La sonda utilizzerà il metodo tradizionale del rimpallo dei segnali con la Terra, ma la presenza dell’orologio atomico consentirà di verificare l’affidabilità della nuova tecnica, da usare un giorno al posto del più elaborato metodo classico.

DSAC nel frattempo è stato disattivato e continua a girare intorno alla Terra in compagnia del satellite che lo ospita dal 2019. Un po’ come gli elettroni con cui ha giocato per misurare il tempo, cambierà la propria orbita avvicinandosi sempre di più al nostro pianeta, fino a polverizzarsi al suo rientro nell’atmosfera.