إن الساعات الذرية هي المفتاح لتمكين أسراب من الأقمار الصناعية الصغيرة من التواصل مع بعضها البعض وتعزيز استكشاف الفضاء السحيق، إذ يعمل مهندسو الفضاء على تحقيق ذلك.
أهمية الساعات الذرية
يعتمد مستقبل البنية التحتية للأقمار الصناعية في العالم على جهاز قديم الزمن كالساعة المتواضعة، إذ أنها دعامة أساسية في الأقمار الصناعية القديمة الأكبر مثل نظام تحديد المواقع العالمي GPS، مكنت الساعات الذرية عالية الدقة من وظائف الملاحة والاتصالات الأساسية مع توفير معيار ضبط الوقت للأسواق المالية وشبكات الطاقة والإنترنت.
تعتبر الساعة الذرية هي أدق أنواع الساعات في العالم، وهي مصممة لقياس الوقت وفقًا للاهتزازات داخل الذرات، ويقال إن NIST-F1 الساعة الذرية القياسية للولايات المتحدة دقيقة للغاية لدرجة أنها لن تكتسب أو تفقد ثانية في أكثر من 30 مليون سنة.
المشاكل التي تواجه الفضاء قبل اختراع الساعة الذرية
في الأساس تقيس جميع الساعات مرور الوقت عن طريق حساب اهتزازات الرنان، وتحسب ساعات الجد تذبذبات البندول أي عدد المرات التي يمر فيها ذراع البندول عبر العمودي، بينما تحسب معظم الساعات الحديثة اهتزازات الكوارتز المكهربة.
لكن الاختلافات في التصنيع وكذلك تأثيرات الحرارة والضغط يمكن أن تتسبب في اختلاف الرنانات مثل الكوارتز والبندولات في فترة التذبذب بمرور الوقت، ونظرًا لأن الأقمار الصناعية تحتاج إلى إرسال وقياس الإشارات التي تنتقل بسرعة الضوء، فإن أصغر التغيرات في التردد يمكن أن تسبب أخطاء كبيرة يمكن لانحراف جزء من جزء من الألف من الثانية أن يؤدي إلى التخلص من مسار GPS أو هدف الصاروخ بمقدار 300 كيلومتر.
يمكن ضبط الوقت الدقيق أسراب الأقمار الصناعية الصغيرة من التواصل مع بعضها البعض بشكل أكثر فعالية ومساعدة المركبات الفضائية على الإبحار في الفضاء السحيق، ويختبر مختبر الدفع النفاث التابع لناسا حاليًا ساعته الذرية للفضاء العميق والتي يمكن أن تساعد المركبات الفضائية في الوصول إلى وجهات بعيدة مثل المريخ وما وراءها.
بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب هذا المستوى من الدقة، حيث يجب ألا تكون الساعات الموجودة على متن الأقمار الصناعية متزامنة فحسب، بل يجب أيضًا مزامنتها أو الاحتفاظ بها على نفس التردد كما قال جيمس كامبارو زميل في مجال الفضاء وعالم فيزياء الساعة الذرية.
الحفاظ على وجود الساعة الذرية
للحفاظ على التزامن تستخدم معظم الساعات الذرية المستخدمة في الفضاء نفس الكوارتز الموجود في الساعات الأخرى ولكن تربط تذبذب الكوارتز بثابت ذري أساسي في الطبيعة، والذي لن يتغير من حيث المبدأ، حيث أن تباعد مستوى الطاقة على طاقة الذرة هو العمود الفقري لعرض التوقيت فائق الدقة.
ما هو المخطط التي تتبعه الساعة الذرية
في نوع واحد من الساعات الذرية تتعرض ذرات السيزيوم لإشعاع الميكروويف عند 9192.631.770 هرتز بالضبط، وهو تردد يولده مذبذب كوارتز، إذا كان مذبذب الكوارتز ينتج هذا التردد الدقيق فإن ذرات السيزيوم ستتغير من درجة واحدة على سلم الطاقة إلى أخرى.
بعد التفاعل الأولي بين ذرة السيزيوم والميكروويف يقيس كاشف في الساعة عدد الذرات التي تغيرت درجاتها إذا قفزت معظم الذرات من إحدى درجات سلم الطاقة إلى أخرى فإن تردد الموجات الدقيقة وبالتالي مذبذب الكوارتز يكون صحيحًا.
إذا لم تقفز الذرات على سلم الطاقة الخاص بها فإن التردد قد انحرف أي أنها ربما تكون عوامل مثل درجة الحرارة أو الضغط قد غيرت الكوارتز تمامًا كما تفعل في الساعات اليومية، عندما يحدث هذا تقوم دائرة كهربائية في الساعة بتصحيح تردد المذبذب مرة أخرى إلى 9192.631.770 هرتز.
بينما تتبع معظم الساعات الذرية هذا المخطط يستخدم بعضها عناصر مختلفة مثل الروبيديوم وأشكال مختلفة من الإشعاع، والنتيجة واحدة وهي ضبط دقيق للوقت يمكنه التصحيح الذاتي.
تقنية الساعة التي تعتمد على الليزر
بينما يعمل المجتمع العلمي نحو أجهزة أصغر وأعلى دقة يقوم كامبارو وفريقه بإجراء بحث نقدي حول تصميمات الساعة البديلة ودراسة التأثير طويل المدى للعوامل البيئية على ضبط الوقت من خلال المحاكاة والاختبار، ومن خلال العمل بالتوازي مع شركة تصنيع تجارية تقوم بتطوير ساعة جديدة تعتمد على الليزر يقوم الفريق حاليًا بتقييم فعالية نسخة مبسطة باستخدام ليزر منخفض الطاقة، وهو تصميم يمكن أن يطيل عمر الجهاز بشكل كبير.
وإذا نجحوا في هذا الأمر يمكن تمرير هذه المعلومات من خلال الأدبيات المفتوحة إلى الشركة المصنعة، وإذا فشلوا فإنهم يمكنهم تنبيه مجتمع ضبط الوقت إلى عدم السير في هذا المسار، حيث قال كامبارو هذه هي الطريقة التي يمكن بها لأبحاث الفضاء الجوي وهي النجاح أو الفشل.
في النهاية فإن قوة المختبر في البحث التأسيسي جنبًا إلى جنب مع مهمة إيروسبيس للمصلحة العامة تمكنه من سد الفجوة داخل مجتمع الساعة الذرية.
