Binnenkort kunnen klokken op de meest afgelegen locaties mogelijk nauwkeurig gesynchroniseerd worden. Een nieuw apparaatje zet de uurwerken gelijk aan de hand van de kosmische straling, die overal op aarde meetbaar is.

Timing is belangrijk. Niet alleen bij het maken van een goede grap, maar ook bij weersvoorspellingen, het elektriciteitsnet, communicatie en financiële systemen. Door een fout van een microseconde kan het elektriciteitsnet uit balans raken of een financiële transactie misgaan.

De meeste systemen gebruiken gps voor nauwkeurige tijdsbepaling. ‘Maar gps-signalen zijn vatbaar voor zowel opzettelijke als onopzettelijke verstoringen’, zegt geofysicus Hiroyuki Tanaka van de universiteit van Tokio. Systemen waarbij tijdsbepaling essentieel is, kunnen gebruikmaken van nauwkeurige atoomklokken om de periodes te overbruggen waarin geen contact gemaakt kan worden met gps. Maar atoomklokken zijn vaak duur en groot. Een commerciële cesium-atoomklok kost bijvoorbeeld bijna een half miljoen euro.

Op jacht naar geluk
LEES OOK
Op jacht naar geluk

Kosmische tijdsynchronisatie

Tanaka denkt nu een oplossing te hebben. Zijn techniek om de klokken van meerdere apparaten precies gelijk te zetten is betaalbaar, compact en robuust. ‘Als je het signaal wilt verstoren, moet je een muur bouwen ter grootte van een wolkenkrabber of een enorme elektrische magneet neerzetten’, zegt hij. Bovendien werkt het onder de grond en onder water. Dit in tegenstelling tot gps, waarbij je op sommige plekken het signaal van de satellieten niet kunt ontvangen.

De techniek die Tanaka heeft bedacht en getest, maakt gebruik van kosmische straling. Dit zijn deeltjes die met hoge energie door het heelal razen en soms op onze atmosfeer botsen. De techniek kreeg daarom de naam ‘kosmische tijdsynchronisatie’ (cosmic time synchronization, CTS).

Regen van deeltjes

Kosmische straling botst op ongeveer vijftien kilometer hoogte op atomen en moleculen in onze atmosfeer. De botsing van een enkel kosmisch deeltje veroorzaakt een regen van andere deeltjes, waaronder zogeheten muonen. Muonen zijn de zware broertjes van elektronen. Ze bewegen met bijna de lichtsnelheid door de lucht en vliegen gemakkelijk door water en gesteente heen. Zo bereiken ze grotten en de diepzee.

CTS-apparaten detecteren deze muonen en kijken op welk moment ze ongeveer aankomen en hoeveel energie en snelheid ze hebben. Muonen die ontstaan zijn bij dezelfde botsing van een kosmische deeltje op de atmosfeer, zijn te herkennen door hun moment van aankomst en energie. Door deze informatie te delen, kunnen CTS-apparaten met elkaar overleggen of ze muonen zien van dezelfde kosmische inslag. Als dat zo is, dan kunnen ze hun klokken synchroniseren door terug te rekenen wanneer de kosmische straling de atmosfeer raakte.

Uit de eerste tests met CTS-apparaten bleek dat tijdsynchronisatie tot op 0,0001 milliseconde mogelijk is.

Klokken gelijkzetten met kosmische straling. Beeld: ©2022 Hiroyuki K. M. Tanaka

Elke telefoon CTS

Deze tijdsynchronisatie kun je meerdere keren per uur herhalen. Kosmische straling is namelijk niet erg zeldzaam. Per vierkante kilometer aarde komen er ongeveer honderd kosmische inslagen per uur voor die meetbare muonen produceren. Een aandachtspunt is wel dat een enkele kosmische inslag een deeltjesregen veroorzaakt die slechts tien vierkante kilometer groot is. Als je je klok wilt gelijkzetten met een klok buiten dat gebied, dan moet het apparaat gaan zoeken naar meerdere, gedeeltelijk overlappende kosmische stralingsregens.

Tanaka is optimistisch. ‘Ik denk dat de CTS-technologie een goed back-upsysteem voor gps zou kunnen zijn, dat gemakkelijk en goedkoop wereldwijd kan worden ingezet.’ Zijn doel is om een CTS-apparaatje te ontwikkelen dat ingebouwd kan worden in smartphones. Het huidige prototype is 20 bij 20 centimeter groot en weegt een kilo.

Prototype CTS-apparaat. Beeld: ©2022 Hiroyuki K. M. Tanaka