Dans l'espace lointain, un chronométrage précis est vital pour la navigation, mais de nombreux engins spatiaux manquent de garde-temps précis à bord. Depuis 20 ans, Le Jet Propulsion Laboratory de la NASA à Pasadena, Californie, a perfectionné une horloge. Ce n'est pas une montre-bracelet; pas quelque chose que vous pourriez acheter dans un magasin. C'est l'horloge atomique de l'espace lointain (DSAC), un instrument parfait pour l'exploration de l'espace lointain.

Actuellement, la plupart des missions reposent sur des antennes au sol associées à des horloges atomiques pour la navigation. Les antennes au sol envoient des signaux étroitement focalisés aux engins spatiaux, lequel, à son tour, renvoyer le signal. La NASA utilise la différence de temps entre l'envoi d'un signal et la réception d'une réponse pour calculer l'emplacement de l'engin spatial, vitesse et chemin.

Cette méthode, bien que fiable, pourrait être rendu beaucoup plus efficace. Par exemple, une station au sol doit attendre que l'engin spatial renvoie un signal, ainsi une station ne peut suivre qu'un seul vaisseau spatial à la fois. Cela oblige le vaisseau spatial à attendre les commandes de navigation de la Terre plutôt que de prendre ces décisions à bord et en temps réel.

"Naviguer dans l'espace lointain nécessite de mesurer de grandes distances en utilisant notre connaissance de la propagation des signaux radio dans l'espace, " a déclaré Todd Ely de JPL, Chercheur principal de la DSAC. "La navigation nécessite régulièrement des mesures de distance précises à un mètre ou mieux. Étant donné que les signaux radio voyagent à la vitesse de la lumière, cela signifie que nous devons mesurer leur temps de vol avec une précision de quelques nanosecondes. Les horloges atomiques le font régulièrement sur le terrain depuis des décennies. Faire cela dans l'espace, c'est l'essence même de la DSAC."

Le projet DSAC vise à fournir un chronométrage précis à bord pour les futures missions de la NASA. Les engins spatiaux utilisant cette nouvelle technologie n'auraient plus à s'appuyer sur un suivi bidirectionnel. Un vaisseau spatial pourrait utiliser un signal envoyé depuis la Terre pour calculer la position sans renvoyer le signal et attendre les commandes du sol, un processus qui peut prendre des heures. Les données de localisation en temps opportun et le contrôle à bord permettent des opérations plus efficaces, des manœuvres plus précises et des ajustements aux situations inattendues.

Ce changement de paradigme permet aux engins spatiaux de se concentrer sur les objectifs de la mission plutôt que d'ajuster leur position pour pointer les antennes vers la Terre afin de fermer un lien pour un suivi bidirectionnel.

En outre, cette innovation permettrait aux stations au sol de suivre plusieurs satellites à la fois à proximité de zones surpeuplées comme Mars. Dans certains scénarios, l'exactitude de ces données de suivi dépasserait d'un facteur cinq les méthodes traditionnelles.

DSAC est un prototype avancé d'un petit horloge atomique de faible masse basée sur la technologie des pièges à ions mercure. Les horloges atomiques des stations au sol du Deep Space Network de la NASA ont à peu près la taille d'un petit réfrigérateur. DSAC a à peu près la taille d'un grille-pain à quatre tranches, et pourrait être encore miniaturisé pour de futures missions.

Le vol d'essai de la DSAC transportera cette technologie du laboratoire à l'environnement spatial. En orbite, la mission DSAC utilisera les signaux de navigation du GPS américain couplés à une connaissance précise des orbites et des horloges des satellites GPS pour confirmer les performances de la DSAC. La démonstration doit confirmer que la DSAC peut maintenir une précision temporelle supérieure à deux nanosecondes (0,000000002 secondes) sur une journée, dans le but d'atteindre une précision de 0,3 nanoseconde.

Une fois que la DSAC a fait ses preuves, les futures missions peuvent utiliser ses améliorations technologiques. L'horloge promet une augmentation de la quantité de données de suivi et une amélioration de la qualité des données de suivi. Le couplage de la DSAC avec la radionavigation embarquée pourrait garantir que les futures missions d'exploration disposent des données de navigation nécessaires pour traverser le système solaire.

Les technologies à bord du DSAC pourraient également améliorer la stabilité de l'horloge GPS et, à son tour, le service que GPS fournit aux utilisateurs du monde entier. Les résultats des tests au sol ont montré que le DSAC était 50 fois plus stable que les horloges atomiques actuellement utilisées sur le GPS. La DSAC promet d'être l'horloge spatiale de navigation la plus stable jamais pilotée.

« Nous avons des objectifs ambitieux pour améliorer la navigation dans l'espace lointain et la science à l'aide de la DSAC, " a déclaré Ely. " Cela pourrait avoir un impact réel et immédiat pour tout le monde ici sur Terre s'il est utilisé pour assurer la disponibilité et les performances continues du système GPS. "