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O relógio está correndo: uma demonstração de tecnologia que pode transformar a forma como os humanos exploram o espaço está chegando ao seu objetivo de lançamento em 24 de junho de 2019. Desenvolvido pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, o Deep Space Atomic Clock é um upgrade sério para o relógios atômicos baseados em satélite que, por exemplo, ativam o GPS em seu telefone.
Em última análise, essa nova tecnologia poderia tornar a navegação de naves espaciais em locais distantes, como o de Marte, mais autônoma. Mas o que é um relógio atômico? Como eles são usados na navegação espacial e o que torna o Deep Space Atomic Clock diferente? Leia para obter todas as respostas.
Por que usamos relógios para navegar no espaço?
Para determinar a distância de uma espaçonave da Terra, os navegadores enviam um sinal para a espaçonave, que a retorna para a Terra. O tempo que o sinal requer para fazer essa jornada de mão dupla revela a distância da espaçonave da Terra, porque o sinal viaja a uma velocidade conhecida (a velocidade da luz).
Embora possa parecer complicado, a maioria de nós usa esse conceito todos os dias. A mercearia pode estar a 30 minutos a pé da sua casa. Se você sabe que pode andar cerca de uma milha em 20 minutos, então você pode calcular a distância até a loja.
Ao enviar vários sinais e fazer várias medições ao longo do tempo, os navegadores podem calcular a trajetória de uma espaçonave: onde ela está e para onde está indo.
A maioria dos relógios modernos, dos relógios de pulso aos usados nos satélites, mantém o tempo usando um oscilador de cristal de quartzo. Esses dispositivos aproveitam o fato de que cristais de quartzo vibram em uma frequência precisa quando a tensão é aplicada a eles. As vibrações do cristal agem como o pêndulo de um relógio de pêndulo, assinalando quanto tempo passou.
Para saber a posição da espaçonave dentro de um metro, os navegadores precisam de relógios com precisão de resolução de tempo - relógios que podem medir bilionésimos de segundo.
Navegadores também precisam de relógios extremamente estáveis . "Estabilidade" refere-se a como consistentemente um relógio mede uma unidade de tempo; sua medida do comprimento de um segundo, por exemplo, precisa ser a mesma (melhor do que um bilionésimo de segundo) ao longo de dias e semanas.
O que os átomos têm a ver com os relógios?
Por padrões de navegação espacial, os relógios de cristal de quartzo não são muito estáveis. Depois de apenas uma hora, até mesmo os osciladores de quartzo de melhor desempenho podem ser desligados em um nanossegundo (um bilionésimo de segundo). Após seis semanas, eles podem estar desligados por um milissegundo inteiro (um milésimo de segundo) ou por um erro de distância de 300 quilômetros. Isso teria um enorme impacto na medição da posição de uma espaçonave em movimento rápido.
Os relógios atômicos combinam um oscilador de cristal de quartzo com um conjunto de átomos para alcançar maior estabilidade. O Deep Space Atomic Clock da NASA estará desligado em menos de um nanossegundo após quatro dias e menos de um microssegundo (um milionésimo de segundo) após 10 anos. Isso equivale a apenas um segundo a cada 10 milhões de anos.
Os átomos são compostos de um núcleo (constituído por prótons e nêutrons) cercado por elétrons. Cada elemento da tabela periódica representa um átomo com um certo número de prótons em seu núcleo. O número de elétrons em torno do núcleo pode variar, mas eles devem ocupar níveis de energia discretos ou órbitas.
Um choque de energia - na forma de microondas - pode fazer com que um elétron suba para uma órbita mais alta ao redor do núcleo. O elétron deve receber exatamente a quantidade certa de energia - o que significa que as microondas devem ter uma freqüência muito específica - para fazer esse salto.
A energia necessária para fazer os elétrons mudarem de órbita é única em cada elemento e consistente em todo o universo para todos os átomos de um dado elemento. Por exemplo, a freqüência necessária para fazer elétrons em um átomo de carbono alterar os níveis de energia é a mesma para cada átomo de carbono no universo. O Relógio Atômico do Espaço Profundo usa átomos de mercúrio; uma frequência diferente é necessária para fazer com que esses elétrons mudem de nível, e essa freqüência será consistente para todos os átomos de mercúrio.
"O fato de que a diferença de energia entre essas órbitas é um valor tão preciso e estável é, na verdade, o ingrediente-chave para os relógios atômicos", disse Eric Burt, físico do relógio atômico do JPL. "É a razão pela qual os relógios atômicos podem atingir um nível de desempenho além dos relógios mecânicos".
Ser capaz de medir essa frequência imutável em um átomo específico oferece à ciência uma medida universal e padronizada do tempo. ("Freqüência" refere-se ao número de ondas que passam por um determinado ponto no espaço em uma dada unidade de tempo. Então, contando as ondas, é possível medir o tempo.) Na verdade, a medida oficial da duração de um segundo é determinado pela frequência necessária para fazer os elétrons saltarem entre dois níveis específicos de energia em um átomo de césio.
Em um relógio atômico, a freqüência do oscilador de quartzo é transformada em uma freqüência que é aplicada a uma coleção de átomos. Se a freqüência derivada estiver correta, fará com que muitos elétrons nos átomos alterem os níveis de energia. Se a frequência estiver incorreta, muito menos elétrons saltarão. Isso determinará se o oscilador de quartzo está fora de frequência e em quanto. Uma "correção" determinada pelos átomos pode então ser aplicada ao oscilador de quartzo para direcioná-lo de volta à freqüência correta. Este tipo de correção é calculado e aplicado ao oscilador de quartzo a cada poucos segundos no Relógio Atômico do Espaço Profundo.
O que é único sobre o Deep Space Atomic Clock?
Relógios atômicos são usados a bordo de satélites GPS que orbitam a Terra, mas até mesmo eles devem receber atualizações duas vezes por dia para corrigir a deriva natural dos relógios. Essas atualizações vêm de relógios atômicos mais estáveis no chão que são grandes (geralmente do tamanho de um refrigerador) e não projetados para sobreviver às demandas físicas de ir ao espaço.
Até 50 vezes mais estável do que os relógios atômicos em satélites GPS, o Deep Space Atomic Clock da NASA pretende ser o relógio atômico mais estável já voado no espaço. Ele alcança essa estabilidade usando íons de mercúrio.
Íons são átomos que possuem uma carga elétrica líquida, em vez de serem eletricamente neutros. Em qualquer relógio atômico, os átomos estão contidos em uma câmara de vácuo e, em alguns desses relógios, os átomos interagem com as paredes da câmara de vácuo. Mudanças ambientais, como temperatura, causarão mudanças similares nos átomos e levarão a erros de freqüência. Muitos relógios atômicos usam átomos neutros, mas como os íons de mercúrio têm uma carga elétrica, eles podem estar contidos em uma "armadilha" eletromagnética para evitar que essa interação aconteça, permitindo que o Deep Space Atomic Clock atinja um novo nível de precisão.
Para missões que vão a destinos distantes como Marte ou outros planetas, essa precisão possibilita a navegação autônoma com comunicação mínima para e da Terra - uma grande melhoria na forma como naves espaciais são atualmente navegadas.
O Deep Space Atomic Clock está hospedado em uma espaçonave fornecida pela General Atomics Electromagnetic Systems de Englewood, Colorado. É patrocinado pelo programa de missões tecnológicas de demonstração dentro da Diretoria de Missão de Tecnologia Espacial da NASA e pelo programa de Comunicações e Navegação Espacial da Diretoria de Exploração Humana e Missão de Operações da NASA. O JPL gerencia o projeto.
Arielle Samuelson
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Califórnia
818-354-0307
arielle.a.samuelson@jpl.nasa.gov
Editor: Jon Nelson
Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Califórnia
818-354-0307
arielle.a.samuelson@jpl.nasa.gov
Editor: Jon Nelson
Fonte:NASA / 19-06-2019
https://www.nasa.gov/feature/jpl/what-is-an-atomic-clock
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Hélio R.M. Cabral
(Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da
Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for
Science and the Public (SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA
(National Aeronautics and Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa
do projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA. A partir de 2019, tornou-se membro da Sociedade Astronômica
Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
NASA e National Science Fundation (NSF), e apoiado pela National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) e U.S Department of State.
e-mail: heliocabral@coseno.com.br
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