Los relojes atómicos ofrecen la mayor precisión posible, que en los más avanzados llega a un segundo de diferencia cada 3.700 millones de años. En la navegación espacial no hace falta llegar a ese extremo, pero es importante conseguir una elevada precisión, especialmente para desplegar sistemas de posicionamiento global (GPS) en otros planetas y satélites para los robots y los astronautas que los recorran. El reto principal es conseguir reducir su tamaño para poder equipar las naves espaciales y la NASA ha logrado reducirlo hasta el tamaño de una tostadora.

Texto: Alicia Rivera | Periodista de ciencia 

L a NASA está haciendo pruebas en órbita terrestre de un nuevo reloj atómico que, si funciona bien, abrirá el camino hacia una revolución en la navegación por el espacio profundo, lejos de la Tierra. Incluso permitiría montar sistemas similares al GPS terrestre en órbita de otros planetas facilitando enormemente las labores de exploración. Es el Reloj Atómico de Espacio Profundo (DSAC, por sus siglas en inglés) y, aunque su precisión es apabullante (error de un segundo cada 10 millones de años), no es esta característica lo primero que destacan los especialistas, sino su miniaturización: tiene el tamaño de un tostador de pan casero, cuando los mejores relojes atómicos actualmente son tan grandes como una nevera. El objetivo del programa es embarcar pequeños relojes atómicos ultraprecisos en naves espaciales, de manera que éstas ganen autonomía respecto a los centros de control terrestre y se faciliten las labores de los astronautas cuando exploren otros planetas. “Es el primer reloj suficientemente estable para trazar la trayectoria de una nave en el espacio profundo a la vez que es suficientemente pequeño para ir a bordo”, destaca la NASA. “Cambiará completamente la forma en que navegamos naves espaciales por el espacio profundo”, señala Jill Seubrert, investigadora principal adjunta del programa. El prototipo del DSAC, desarrollado a lo largo de 20 años en el Jet Propulsion Laboratory (JPL, Caltech-NASA), en California, fue colocado en órbita terrestre el 25 de junio de 2019. El 23 de agosto, los responsables de la misión anunciaron que, una vez completada la fase de encendido y comprobación de los sistemas tras el lanzamiento, el DSAC había sido activado; el objetivo de la misión es ver si el reloj se comporta tan bien en las duras condiciones espaciales como en los laboratorios terrestres.

En noviembre pasado concluyó con éxito la fase de ensayos y certificación de sistemas y comenzó la operación nominal del DSAC, que durará al menos un año. Por ahora, su funcionamiento está cumpliendo las expectativas, han señalado sus responsables. “Nuestro objetivo es que se adelante o atrase unos dos nanosegundos [un nanosegundo es una milmillonésima de segundo] o menos al día”, señaló Todd Ely, investigador principal del programa. Y añadió: “Creemos que nos acercaremos a unas tres décimas de nanosegundo al día”. Las pruebas en órbita “nos dirán mucho acerca de cómo podemos operar con estos relojes durante periodos de tiempo mucho más largos, cuando viajen a sitios a los que puede que se tarden meses, años, o incluso una década en llegar”, afirmó Seubert. Si todo va bien, el plan es que estos relojes atómicos compactos se incorporen a los equipos de las naves de exploración espacial en la década de los treinta. Además, servirán para mejorar la precisión de los sistemas de posicionamiento global aquí en la Tierra. Con 16 kilos, un tamaño de 16 × 27 × 23 centímetros y 44 W de potencia, el DSAC es un reloj atómico de iones de mercurio (la cantidad que lleva cabría en dos latas de atún, afirma la NASA) varios órdenes de magnitud más estable que sus predecesores, a la vez que resulta menos sensible a los campos magnéticos y a los cambios de temperatura. Es unas 50 veces más estable que los relojes que llevan actualmente los satélites de GPS. La NASA ensaya en órbita un mini reloj de precisión para dotar de autonomía futuras sondas Viajes espaciales con precisión atómica Los relojes atómicos ofrecen la mayor precisión posible, que en los más avanzados llega a un segundo de diferencia cada 3.700 millones de años. En la navegación espacial no hace falta llegar a ese extremo, pero es importante conseguir una elevada precisión, especialmente para desplegar sistemas de posicionamiento global (GPS) en otros planetas y satélites para los robots y los astronautas que los recorran. El reto principal es conseguir reducir su tamaño para poder equipar las naves espaciales y la NASA ha logrado reducirlo hasta el tamaño de una tostadora. 

El nuevo reloj atómico va instalado en el minisatélite OTB-1 (Orbital Test Bed-1). Los relojes atómicos funcionando en la Tierra han sido hasta ahora elementos esenciales en la navegación de la mayoría de los vehículos de exploración en el espacio profundo, es decir, los que van más allá de la Luna. “Actualmente, los responsables de navegación indican a una nave espacial a dónde tienen que ir calculando su posición respecto a la Tierra y enviándole los datos de localización al espacio mediante un sistema de comunicación de doble sentido que puede tardar varios minutos o varias horas en proporcionar la localización”, explica la NASA. “Este método de navegación significa que, independientemente de lo lejos que una misión viaje por el Sistema Solar, la nave sigue atada a la Tierra, esperando comandos de nuestro planeta”. El DSAC permitirá a las naves espaciales saber dónde están exactamente sin depender permanentemente de los datos enviados desde la Tierra, lo que facilitará un alto grado de navegación autónoma. Actualmente, para guiar una nave de viaje por el espacio se le envían desde la Tierra, con grandes antenas, radioseñales que la nave rebota hacia aquí; con relojes atómicos en el centro de control se mide el tiempo de ida y vuelta de la señal (que viaja a una velocidad conocida, la de la luz) con una precisión de una milmillonésima de segundo y se calcula entonces dónde está el artefacto y qué velocidad y trayectoria lleva; con esos datos se envían las órdenes de navegación a la nave. “Es igual que un eco: si estoy frente a una montaña y doy un grito, cuanto más tarde el eco en volver, más lejos está la montaña”, explicó Seubert. Pero los tiempos en el espacio pueden ser enormes –y desesperantes para determinadas maniobras- dadas las grandes distancias en las que se trabaja: en 2012, las radioseñales que envió el robot Curiosity desde Marte a la Tierra confirmando que había llegado al suelo del planeta rojo sin percances tardaron 14 minutos (de angustia en el centro de control) en llegarnos, viajando a la velocidad de la luz. El recorrido de las radioseñales a Júpiter ronda la hora y media y a Saturno las dos horas y media. “La navegación en el espacio profundo exige medir enormes distancias utilizando nuestro conocimiento de cómo se propagan en el espacio las radioseñales”, explicó Todd Ely en el JPL. “La navegación rutinaria requiere medidas de distancia con una precisión de un metro o superior y, dado que las radioseñales viajan a la velocidad de la luz, eso significa que necesitamos medir su tiempo de viaje con una precisión de unos pocos nanosegundos.

Los relojes atómicos lo vienen haciendo de modo rutinario en la superficie terrestre desde hace décadas, pero con el DSAC se trata de hacerlo en el espacio”. El DSAC puede eliminar ese sistema de doble sentido Tierra/nave en la navegación por el espacio profundo, siempre y cuando sea suficientemente preciso (y pequeño y resistente para viajar en una nave espacial). Es lo que se está probando con el prototipo. “Al igual que sus primos terrestres, el DSAC a bordo de una nave puede medir el tiempo que tarda en llegar hasta ella la señal que le envían desde la Tierra para calcular a bordo su posición y trayectoria”, detallan los expertos de la NASA, de manera que puede controlar autónomamente su navegación. Eric Burton, responsable del desarrollo del DSAC, junto con el físico Robert Tjoelker y John Prestage, han creado el reloj atómico de iones de mercurio que debe mantener su estabilidad en el espacio igual que los voluminosos relojes atómicos en la Tierra. La cuestión ahora es comprobar que efectivamente permanece estable en condiciones de vuelo orbital prolongado. Además, una misma señal enviada al espacio puede ser recibida por varias naves espaciales a la vez para que cada una ir calculando su posición respecto a la Tierra y enviándole los datos de localización al espacio mediante un sistema de comunicación de doble sentido que puede tardar varios minutos o varias horas en proporcionar la localización”, explica la NASA. “Este método de navegación significa que, independientemente de lo lejos que una misión viaje por el Sistema Solar, la nave sigue atada a la Tierra, esperando comandos de nuestro planeta”. El DSAC permitirá a las naves espaciales saber dónde están exactamente sin depender permanentemente de los datos enviados desde la Tierra, lo que facilitará un alto grado de navegación autónoma.

Actualmente, para guiar una nave de viaje por el espacio se le envían desde la Tierra, con grandes antenas, radioseñales que la nave rebota hacia aquí; con relojes atómicos en el centro de control se mide el tiempo de ida y vuelta de la señal (que viaja a una velocidad conocida, la de la luz) con una precisión de una milmillonésima de segundo y se calcula entonces dónde está el artefacto y qué velocidad y trayectoria lleva; con esos datos se envían las órdenes de navegación a la nave. “Es igual que un eco: si estoy frente a una montaña y doy un grito, cuanto más tarde el eco en volver, más lejos está la montaña”, explicó Seubert. Pero los tiempos en el espacio pueden ser enormes –y desesperantes para determinadas maniobras- dadas las grandes distancias en las que se trabaja: en 2012, las radioseñales que envió el robot Curiosity desde Marte a la Tierra confirmando que había llegado al suelo del planeta rojo sin percances tardaron 14 minutos (de angustia en el centro de control) en llegarnos, viajando a la velocidad de la luz. El recorrido de las radioseñales a Júpiter ronda la hora y media y a Saturno las dos horas y media. “La navegación en el espacio profundo exige medir enormes distancias utilizando nuestro conocimiento de cómo se propagan en el espacio las radioseñales”, explicó Todd Ely en el JPL. “La navegación rutinaria requiere medidas de distancia con una precisión de un metro o superior y, dado que las radioseñales viajan a la velocidad de la luz, eso significa que necesitamos medir su tiempo de viaje con una precisión de unos pocos nanosegundos. Los relojes atómicos lo vienen haciendo de modo rutinario en la superficie terrestre desde hace décadas, pero con el DSAC se trata de hacerlo en el espacio”. El DSAC puede eliminar ese sistema de doble sentido Tierra/nave en la navegación por el espacio profundo, siempre y cuando sea suficientemente preciso (y pequeño y resistente para viajar en una nave espacial). Es lo que se está probando con el prototipo. “Al igual que sus primos terrestres, el DSAC a bordo de una nave puede medir el tiempo que tarda en llegar hasta ella la señal que le envían desde la Tierra para calcular a bordo su posición y trayectoria”, detallan los expertos de la NASA, de manera que puede controlar autónomamente su navegación. Eric Burton, responsable del desarrollo del DSAC, junto con el físico Robert Tjoelker y John Prestage, han creado el reloj atómico de iones de mercurio que debe mantener su estabilidad en el espacio igual que los voluminosos relojes atómicos en la Tierra. La cuestión ahora es comprobar que efectivamente permanece estable en condiciones de vuelo orbital prolongado. Además, una misma señal enviada al espacio puede ser recibida por varias naves espaciales a la vez para que cada una determine sus parámetros de viaje, lo que aligerará enormemente las labores de control en la Tierra, que ahora exigen cálculos específicos para cada misión (casi una treintena de naves controla actualmente la Red de Espacio Profundo –DSN– de la NASA), abaratando los costes de operación de las misiones al tiempo que se incrementa la recepción de datos científicos. No cabe embarcar en una nave espacial un reloj atómico ultrapreciso como los que funcionan en la Tierra, no solo por su gran tamaño y peso (dos parámetros que, junto con el consumo energético, condicionan cualquier artefacto o instrumento que se envía al espacio), sino porque difícilmente soportaría la radiación, las condiciones extremas de temperatura y las vibraciones que sufre todo satélite o nave en un cohete en el lanzamiento. De ahí el interés en la miniaturización al ensayar el prototipo del DSAC en condiciones reales de vuelo espacial. Pero sí que funcionan relojes atómicos en el espacio de forma rutinaria. Los satélites del GPS estadounidense (o del Galileo europeo), por ejemplo, llevan relojes que permiten calcular por triangulación la posición de un receptor midiendo los tiempos que tardan las señales en llegarle. Son dispositivos adecuados para distancias moderadas (en términos espaciales), como las del entorno terrestre. Pero los relojes de los sistemas de posicionamiento global, aun siendo tan precisos que deben ser corregidos para tener en cuenta el efecto de la gravedad por su efecto en el espacio/tiempo, no son suficientemente exactos para naves espaciales en el espacio profundo, “cuando un retraso o adelanto de menos de un segundo puede significar perder un planeta por muchos kilómetros”, señalan los expertos. Por ahora, las naves que se van más allá de una órbita terrestre no llevan relojes atómicos para guiar su dirección. “El DSAC tiene una tolerancia a la radiación similar a la de los relojes atómicos de rubidio del sistema GPS”, afirmó Ely.

El programa contempla el desarrollo de generaciones sucesivas del reloj atómico tras la validación del prototipo. Así, explicó el jefe del proyecto, una segunda generación rondará los 10 kilos o menos y exigirá menos potencia (menos de 40 W). El prototipo del DSAC fue lanzado al espacio en un cohete Falcon Heavy (de la empresa Space X) desde el Centro Espacial Kennedy, en Florida (EEUU). Dos docenas de artefactos de ensayos tecnológicos en el espacio iban a bordo, incluidos cuatro de la NASA: uno para probar un nuevo combustible no tóxico para pequeños satélites, otro para hacer mediciones de partículas cargadas en la alta atmósfera terrestre y otro sobre protección de naves espaciales frente a la radiación y mitigación de sus impactos, además del DSAC. El reloj atómico va en la plataforma orbital de ensayos OTB-1 (proporcionado por la empresa General Atomics Electromagnetic Systems), que se situó en órbita baja terrestre a 720 kilómetros de altura. El DSAC utiliza iones de mercurio, en lugar de los relojes de átomos neutros de rubidio del sistema GPS actual. También llevan dos relojes atómicos de rubidio, más dos de máseres de hidrógeno, cada uno de los satélites del sistema Galileo europeo, equipos que dieron no pocos quebraderos de cabeza a sus responsables hace un par de años al fallar varios de ellos en órbita, debido a cortocircuitos producidos en uno de sus componentes, aunque no supusieron merma de prestaciones a los usuarios dada la redundancia de los relojes en cada satélite, según informó la Agencia Europea del Espacio (ESA). A diferencia de los átomos neutros, los iones de mercurio, al estar eléctricamente cargados, quedan atrapados mediante campos eléctricos, con lo que se evita la interacción con las paredes del contenedor, como sucede en los de rubidio, provocando desajustes que exigen un par de correcciones diarias desde Tierra en el sistema GPS actual, explicó Ely, según Space News. Con el nuevo reloj atómico, “esas correcciones, en lugar de días, serán necesarias en semanas, si no en meses”, añadió. Estamos acostumbrados a los relojes de cuarzo, dispositivos basados en el hecho de que, cuando se les aplica un voltaje, los cristales de cuarzo vibran con una frecuencia precisa, explican los expertos del JPL. Esas vibraciones de los cristales hacen el trabajo del péndulo de los antiguos relojes. Pero los relojes de cuarzo no son suficientemente estables para las necesidades de la navegación espacial ya que, en apenas una hora, incluso los mejores aparatos pueden desviarse hasta un nanosegundo (una milmillonésima de segundo). Esto significa que, en un viaje espacial, en seis semanas el reloj puede estar desajustado en una milésima de segundo, lo que supondría un error de 300 kilómetros a la hora de determinar la posición de una nave espacial desplazándose a gran velocidad. “Los relojes atómicos combinan la oscilación de los cristales de cuarzo con un conjunto de átomos para lograr mayor estabilidad”, señala la NASA, recalcando que el DSAC está diseñado para desajustarse menos de un nanosegundo en cuatro días y menos de un microsegundo (una millonésima de segundo) cada 10 millones de años.

El truco de los relojes atómicos reside en que los átomos están formados por un núcleo (protones y neutrones) rodeado de capas (a menudo denominadas órbitas) de electrones con niveles exactos de energía. Un electrón puede saltar de una capa a la siguiente si se le aplica la cantidad exacta de energía necesaria, por ejemplo, mediante microondas, que debe tener la frecuencia especifica. La energía requerida para que los electrones salten de una capa a otras es única en cada elemento e idéntica en todo el universo para todos los átomos de cada elemento, añaden los expertos de la agencia espacial. “El hecho de que la diferencia de energía entre esas órbitas sea un valor tan preciso y estable es la clave los relojes atómicos, la razón por la que son muy superiores a los relojes mecánicos”, señala Eric Burt, físico del JPL. La cuestión es medir esa frecuencia (las ondas que pasan por un punto en una determinada unidad de tiempo) fija en un átomo particular para obtener una medida del tiempo universal estandarizada. De hecho, recuerda la NASA, un segundo se determina oficialmente por la frecuencia necesaria para hacer que los electrones de un átomo de cesio salten entre dos niveles específicos de energía. El DSAC utiliza las oscilaciones ultraregulares de los iones de mercurio para contar el tiempo. En un reloj atómico, continúan los expertos de la NASA, “la frecuencia de un oscilador de cuarzo se transforma en una frecuencia que se aplica a átomos de manera que si dicha frecuencia es correcta muchos electrones cambiarán de niveles de energía, mientras que si es incorrecta saltarán muchos menos; así se determina si el oscilador de cuarzo está desajustado y cuánto, para poder aplicar la corrección y que recupere la frecuencia debida”, ajuste que se produce cada pocos segundos. En los relojes atómicos al uso los átomos están en cámaras de vacío, con el inconveniente de que dichos átomos pueden interactuar con las paredes de la cámara y provocar errores de frecuencia. En el DSAC, los átomos eléctricamente cargados (iones de mercurio), se contienen en una jaula electromagnética, evitando dichas interacciones, lo que permite alcanzar un altísimo nivel de precisión y resultando mucho más estable y exacto que los relojes atómicos embarcados ahora en los satélites del sistema GPS. Con esos iones de mercurios se mantiene ajustado el oscilador de cuarzo.