Por primera vez, un reloj óptico ha viajado al espacio, sobrevivir a las duras condiciones de lanzamiento de un cohete y operar con éxito bajo la microgravedad que se experimentaría en un satélite. Esta demostración acerca la tecnología de reloj óptico a su implementación en el espacio, donde eventualmente podría permitir la navegación basada en GPS con precisión de ubicación de un centímetro.

En la revista de The Optical Society para investigaciones de alto impacto, Optica , los investigadores informan sobre un nuevo pacto, Sistema láser de peine de frecuencia robusto y automatizado que fue clave para el funcionamiento del reloj óptico espacial. Los peines de frecuencia son los "engranajes" necesarios para hacer funcionar los relojes en las frecuencias ópticas.

"Nuestro dispositivo representa una piedra angular en el desarrollo de la metrología y los relojes de precisión basados ​​en el espacio del futuro, "dijo Matthias Lezius de Menlo Systems GmbH, primer autor del artículo. "El reloj óptico funcionó igual en el espacio que en tierra, demostrando que nuestra ingeniería de sistemas funcionó muy bien ".

Usando el tiempo para la ubicación

Los teléfonos y otros dispositivos con GPS señalan su ubicación en la Tierra contactando al menos cuatro satélites con relojes atómicos. Cada uno de estos satélites proporciona una marca de tiempo, y el sistema calcula su ubicación en función de las diferencias relativas entre esos momentos. Los relojes atómicos que se utilizan en los satélites actuales se basan en la oscilación natural del átomo de cesio, una frecuencia en la región de microondas del espectro electromagnético.

Los relojes ópticos usan átomos o iones que oscilan alrededor de 100, 000 veces mayor que las frecuencias de microondas, en la óptica, o visible, parte del espectro electromagnético. Las frecuencias más altas significan que los relojes ópticos "marcan" más rápido que los relojes atómicos de microondas y, por lo tanto, podrían proporcionar marcas de tiempo de 100 a 1, 000 veces más preciso, mejorando enormemente la precisión del GPS.

Los peines de frecuencia son un componente importante de los relojes ópticos porque actúan como engranajes, dividir las oscilaciones más rápidas de los relojes ópticos en frecuencias más bajas para ser contadas y vinculadas a un reloj atómico de referencia basado en microondas. En otras palabras, Los peines de frecuencia permiten medir con precisión las oscilaciones ópticas y utilizarlas para indicar la hora.

Hasta hace poco, los peines de frecuencia han sido muy grandes, configuraciones complejas que solo se encuentran en laboratorios. Lezius y su equipo en Menlo Systems, una empresa derivada del premio Nobel T.W. El grupo de Hänsch en el Instituto Max Plank de Óptica Cuántica, desarrolló un peine de frecuencia óptica totalmente automatizado que mide solo 22 por 14,2 centímetros y pesa 22 kilogramos.

El nuevo peine de frecuencia se basa en fibras ópticas, haciéndolo lo suficientemente resistente para viajar a través de las fuerzas de aceleración extremas y los cambios de temperatura experimentados al salir de la Tierra. Su consumo de energía es inferior a 70 vatios, dentro de los requisitos para dispositivos basados ​​en satélites.

Viajando al espacio

Los investigadores combinaron su nuevo peine de frecuencia con un reloj de cesio atómico como referencia y un reloj óptico de rubidio desarrollado por grupos de investigación del Instituto Ferdinand Braun de Berlín y la Universidad Humbold de Berlín, así como un grupo de la Universidad de Hamburgo que recientemente se mudó a la Universidad de Mainz. Airbus Defence &Space GmbH participó en la construcción, interfaz, e integración del módulo de carga útil que fue al espacio y también brindó soporte y equipamiento durante el vuelo.

En abril de 2015, todo el sistema se hizo volar en un cohete de investigación para un vuelo parabólico de 6 minutos al espacio como parte del programa TEXUS que se lanza desde el Centro Espacial Esrange en Suecia. Una vez que se logró la microgravedad, el sistema inició las mediciones automáticamente y se controló desde la estación terrestre a través de un enlace de radio de bajo ancho de banda.

"El experimento demostró la funcionalidad del peine como un divisor de frecuencia comparativo entre la transición de rubidio óptico a 384 THz y el reloj de cesio que proporciona una referencia de 10 MHz, "dijo Lezius.

Aunque el reloj óptico utilizado en la demostración tenía aproximadamente una décima parte de la precisión de los relojes atómicos utilizados en los satélites GPS en la actualidad, los investigadores ya están trabajando en una nueva versión que mejorará la precisión en varios órdenes de magnitud.

Detección global desde el espacio

Las mediciones de alta precisión que son posibles con los peines de frecuencia podrían ser útiles para muchas aplicaciones. Por ejemplo, Los peines de frecuencia espaciales podrían mejorar la precisión de la teledetección mundial de gases de efecto invernadero desde satélites y podrían utilizarse para detectores de ondas gravitacionales basados ​​en el espacio.

"Las aplicaciones basadas en peines de frecuencia son bastante importantes para los futuros relojes ópticos espaciales, técnicas de metrología de precisión y observación de la tierra, ", dijo Lezius." La preparación de la tecnología espacial de los peines de frecuencia se está desarrollando a un ritmo rápido ".

Los investigadores planean volar una versión mejorada del reloj óptico al espacio a fines de 2017. En ese experimento, el módulo de peine de frecuencia no volará bajo un domo presurizado para probar qué tan bien funciona en las condiciones de vacío que se experimentarían en un satélite. Los investigadores también buscan mejorar aún más la resistencia del sistema a la radiación cósmica severa para garantizar que pueda operar durante varios años en órbita.

En algunos años, Lezius y su equipo apuntan a tener un módulo de peine de frecuencia calificado para uso espacial que la comunidad espacial pueda usar en futuras misiones y aplicaciones. Su objetivo es un dispositivo con un volumen de aproximadamente 3 litros que pese unos pocos kilogramos y tenga un consumo de energía de aproximadamente 10 vatios.