Natuurkundigen gaan een netwerk van de beste klokken op aarde synchroniseren met de meest precieze klok die ooit de ruimte in gestuurd is. Deze ruimteklok is vorige week gelanceerd en bevindt zich nu aan de buitenkant van het internationale ruimtestation ISS. Hij zal maar tot ongeveer 2030 meegaan, omdat het ruimtestation dan uit zijn baan gebracht zal worden en inclusief de klok zal verbranden in de atmosfeer.
De Europese ruimtevaartorganisatie ESA heeft vorige week een extreem nauwkeurige klok de ruimte in gelanceerd. Dit is de meest precieze klok die ooit de ruimte in gestuurd is. Ze schoten de klok naar het internationale ruimtestation ISS en bevestigden hem daar aan de buitenkant Onderzoekers gaan deze ruimteklok gebruiken om een uiterst goed gesynchroniseerd netwerk van de beste klokken op aarde aan te leggen.
De voorbereiding van het project kostte tientallen jaren, maar de klok zal maar een paar jaar werken. Het internationale ruimtestation wordt namelijk over vijf jaar de dampkring in gestort, waar het zal verbranden. Dit zal ook de nieuwe ruimteklok verwoesten.
Grote gebeurtenissen in de wereld hebben effect op brein van jongeren
Jongeren krijgen veel te verduren. Te midden van grote maatschappelijke uitdagingen moeten zij hun plek in de wereld vinden. ...
Atoomklok in de ruimte
Het Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) is een ruimtemissie van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. ACES zal met ongekende precisie een tijdsignaal genereren, dat het vervolgens via lasers naar negen posten op aarde zal sturen, terwijl het ISS daar met 27.000 kilometer per uur overheen vliegt. Dit netwerk van klokken zal daardoor extreem goed gesynchroniseerd zijn en ons over de hele wereld voorzien van extreem nauwkeurige tijdsmetingen.
Hierdoor is ACES straks in staat om met grote nauwkeurigheid de algemene relativiteitstheorie van Einstein te testen, die stelt dat de zwaartekracht het verstrijken van de tijd beïnvloedt. Het project zal ook helpen bij onderzoek naar allerlei natuurkundige vraagstukken, van donkere materie tot snaartheorie.
ACES werd aan boord van een SpaceX Falcon 9 raket naar de ruimte gestuurd. Deze raket steeg op 21 april op vanaf het Kennedy Space Center in Florida in de VS. Nadat ACES het ISS bereikte, maakte de robotarm van het Canadian Space Agency – Canandarm2 – het vast aan de buitenkant van ESA’s Columbus laboratorium, waar de klok de komende jaren in het vacuüm van de ruimte zal doorbrengen.
Ruimtetechniek
Het systeem bestaat uit twee klokken: de ene heet SHM en kan stabiel blijven voor korte tijdsperiodes. Daardoor kan deze klok helpen om de andere, die PHARAO heet, te kalibreren. Samen zullen deze klokken zo accuraat zijn dat ze zelfs na 300 miljoen jaar minder dan een seconde uit elkaar zouden lopen. Dit is tien keer zo nauwkeurig als de klokken aan boord van GPS-satellieten.
PHARAO is gebaseerd op een atoomklok in Parijs die een hele kamer in beslag neemt. Het was geen gemakkelijke opgave om deze technologie te verkleinen naar een apparaat van minder dan een kubieke meter, dat ook nog de ruwe omstandigheden van een raketlancering en een verblijf in de ruimte kan weerstaan.
Om een nauwkeurig kloksignaal te produceren, spuwt FARAO een fontein uit van cesiumatomen die tot bijna het absolute nulpunt gekoeld zijn en observeert hun interactie met microgolfvelden. Op aarde zou het apparaat daarvoor tot wel 3 meter groot moeten zijn, maar dat is in de ruimte niet nodig. Daar is het ook mogelijk om de atomen in een langzamer voortbewegende en kleinere fontein te spuiten door de gewichtloosheid.
Natuurkundige Simon Weinberg, teamleider van het ACES-project bij de ESA, zegt dat het apparaat zó gevoelig is dat alleen al een theelepel in de buurt brengen een sterk genoeg elektromagnetisch veld zou opwekken om de klok kapot te maken. ‘Om het in context te plaatsen: we proberen hiermee minder dan een duizend-miljoen-miljoenste van een seconde te meten’, zegt Weinberg. ‘Dus het is een enorme uitdaging.’
Uitgebreide planning
Het concept van ACES stamt uit de jaren negentig. Het oorspronkelijke plan was om de klok de ruimte in te sturen aan boord van de Space Shuttle, die inmiddels sinds 2011 met pensioen is. Nu het systeem eindelijk de ruimte heeft bereikt, zal het nog minstens anderhalf jaar duren tot het eerste signaal een klok op aarde bereikt. Het zal namelijk ongeveer zes maanden duren om het apparaat de juiste opdrachten te geven. Daarna volgt nog een jaar aan metingen die nodig zijn om ruis te isoleren en te verwijderen uit het signaal van de klok.
Hierna zal ACES werken tot en met 2030. Dan wordt het internationale ruimtestation opzettelijk uit zijn baan gebracht en zal het neerstorten in de atmosfeer van de aarde om daar te verbranden. Tegen die tijd hebben nieuwe supernauwkeurige uurwerken, zogeheten optische klokken, waarschijnlijk alle atoomklokken op aarde overbodig gemaakt. Mogelijk zijn deze nieuwe klokken dan echter nog niet klein of stevig genoeg om ze in de ruimte te kunnen gebruiken.
Weinberg zegt dat ESA op een gegeven moment gaat kijken of ze een nieuwe generatie ACES kunnen lanceren om de klok te vervangen die met ISS verloren zal gaan, ongeacht wat op dat moment de gebruikelijkste techniek zal zijn. ‘Maar zover zijn we nog lang niet. We zouden de benodigde ondersteuning, financiering enzovoort bij elkaar moeten verzamelen om ervoor te zorgen dat dat gebeurt.’
