NASA thử nghiệm đồng hồ nguyên tử không gian sâu

Đồng hồ nguyên tử không gian sâu, thiết bị đầu tiên thuộc loại này được thử nghiệm, là một bước tiến quan trọng đối với việc điều hướng tự động theo thời gian thực trong Hệ mặt trời.

Thực hiện các sứ mệnh bên ngoài hành tinh của chúng ta đòi hỏi những công nghệ tiên tiến nhất và có tầm nhìn đầy khát vọng của nhân loại. Nhưng mặc dù những sứ mệnh này đạt được những kỳ tích đáng kinh ngạc, chẳng hạn như hạ cánh xuống các hành tinh khác hoặc đưa đón các phi hành gia trong nhiều tháng trên quỹ đạo, nhưng có một nhiệm vụ đơn giản mà họ vẫn không thể tự mình làm được đó là tự động biết được thời gian ngoài vũ trụ một cách chính xác nhất.

Đồng hồ nguyên tử GPS sử dụng trên mặt đất thường quá lớn và cồng kềnh để phóng vào vũ trụ. Các phép đo chính xác được tiến hành trên Trái Đất, tàu vũ trụ và vệ tinh liên quan phải kết nối hai chiều với trung tâm điều khiển trên mặt đất để tính toán thời gian. Thế nên, nhiệm vụ có khoảng cách càng xa, kết nối càng trở nên phức tạp hơn.

Đồng hồ nguyên tử không gian sâu trên tàu vũ trụ sẽ cho phép điều hướng trong thời gian thực trở nên dễ dàng, chính xác hơn qua cơ chế chỉ còn một chiều – theo vừa NASA công bố.

Vào năm 2019, Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (JPL) đã phóng một thiết bị được gọi là Đồng hồ Nguyên tử Không gian Sâu (DSAC) lên quỹ đạo để thực hiện cuộc trình diễn trên không gian đầu tiên về công nghệ thế hệ tiếp theo này, kèm một loạt các ứng dụng trong tương lai.

Theo báo cáo của nghiên cứu, kể từ khi ra mắt, DSAC đã đạt được kỳ vọng bằng cách đạt độ ổn định của thời gian hiện hành, “thứ tự cường độ xác định tốt hơn các đồng hồ vũ trụ GPS mặt đất hiện có”, bất chấp luôn cả nhiều thách thức của môi trường ngoài không gian.

Eric Burt, một nhà vật lý đồng hồ nguyên tử tại JPL và là tác giả chính của nghiên cứu mới cho biết: “Trong vài năm qua, chúng tôi đã phân tích dữ liệu, lắng nghe và xem nó, vì vậy nó vẫn làm việc ổn định và chăm chỉ. Và đây là lúc chúng tôi ra thông điệp mới chính thức là thiết bị này”.

Đồng hồ nguyên tử sử dụng trạng thái kích thích rung động đặc biệt của nguyên tử để đếm giây và cho đến nay chúng là thiết bị đo thời gian chính xác nhất từng được chế tạo. Lợi thế của DSAC là nó hoạt động tốt và hiệu quả hơn trong không gian nhỏ gọn hơn. Tàu vũ trụ tương lai có thể mang theo những chiếc đồng hồ tiên tiến này để thực hiện các tính toán thao tác hậu cần không gian phức tạp theo thời gian thực, hay áp dụng trong các hệ thống định vị ngoài không gian.

Đồng hồ Nguyên tử Không gian Sâu (DSAC) hiện đang hoạt động trong không gian đều sử dụng chùm nguyên tử. Chiếc đồng hồ này cực kỳ chính xác trên các khoảng thời gian ngắn hạn, nó có độ lệch không quá 4 nano giây sau 23 ngày. Điều đó có nghĩa chiếc đồng hồ chỉ lệch một giây sau 15,74 triệu năm.

Các sứ mệnh không gian sâu phải “duy trì một mức độ chính xác nhất định trong một khoảng thời gian dài hơn, điều này cho phép tàu vũ trụ ở xa hơn và các tàu vũ trụ đó có thể hoạt động lâu hơn và đồng hồ vẫn làm nhiệm vụ của nó”, Burt nói.

DSAC là bước đầu tiên hướng tới loại tàu thăm dò không gian sâu tự lái có thể cho biết thời gian mà không cần tiếp xúc với Trái đất. Thiết bị này là một “đồng hồ sử dụng cơ chế nguyên tử ion bị mắc kẹt có rung động đặc biệt” có kích thước bằng máy nướng bánh mì, có nghĩa là nó giữ các nguyên tử rung động tại chỗ bằng lực điện từ. Thiết kế này giúp loại bỏ sự trôi dạt do va chạm với các tác động ngoài không gian, và tạo ra sự ổn định lâu dài, điều này đã được chứng minh trong môi trường thử nghiệm nhân tạo trên Trái đất.

Trong suốt hai năm hoạt động trong không gian, DSAC cho thấy rằng nó có thể duy trì độ ổn định giám sát thời gian thực hiệu quả lâu dài gấp mười lần so với các đồng hồ không gian GPS hiện có. Về cơ bản nó không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện không gian bên ngoài như sự thay đổi của bức xạ, nhiệt độ hoặc từ trường. 

Giới hạn hiện nay là tuổi thọ của thiết bị. Theo dự kiến, Đồng hồ Nguyên tử Không gian Sâu (DSAC) sẽ hoạt động trơn tru trong 3 – 5 năm. Nhóm nghiên cứu hy vọng thiết bị có thể vận hành 10 năm hoặc lâu hơn. Đồng hồ Nguyên tử Không gian Sâu (DSAC) đang nằm trên vệ tinh Orbital Test Bed kích hoạt vào ngày 23/8/2019.

Với sứ mệnh tiên phong, nhóm phát triển DSAC đã mở ra cánh cửa cho các thí nghiệm mới có thể cách mạng hóa du hành vũ trụ sâu và đi tiên phong trong một loạt các ứng dụng không gian khác gần Trái đất. Các tàu thăm dò không gian sâu mang các phiên bản tương lai của DSAC có thể tự lái đến các vị trí xung quanh Hệ mặt trời, và sẽ không phải dựa vào đồng hồ GPS Trái đất để thực hiện các thao tác như du hành quỹ đạo hoặc đổ bộ hành tinh.

Những chiếc đồng hồ này cũng sẽ rất cần thiết cho các nhiệm vụ liên hành tinh mang theo các phi hành gia, vì những chuyến đi cần yêu cầu điều hướng thời gian thực một cách chính xác, nhanh nhất có thể, tránh sự phụ thuộc kết nối vì khoảng cách địa lý quá lớn.