NASA Neden Uzaya Atom Saati Gönderiyor?

NASA insanların Mars’a gitmesini kolaylaştırmak için uzaya atom saati gönderiyor. Uzayda GPS ve navigasyon hizmeti sunacak olan atom saatini SpaceX şirketinin Falcon Heavy roketi bugün fırlatacak. Cıva atomları kullanan yeni saat zamanı eski saatlerden 50 kat kesin ölçecek. Böylece astronotlar uzayda yolunu daha kolay bulacak. Peki atom saati nasıl çalışıyor?

Derin uzay atom saati

NASA kızıl gezegen Mars’a o kadar çok uzay aracı gönderdi ki bunlarla iletişim kurmak, rotadan sapmalarını ve yoldan çıkmalarını önlemek gittikçe zorlaşmaya başladı. Nitekim Mars yörüngesinde dönen uydulara ek olarak bir de Mars yüzeyinde meraklı kedi Curiosity gibi kara araçları var.

Cıva atomlarıyla çalışan yeni atom saati, zamanı sezyum atomu kullanan eski atom saatlerinden 50 kat kesin ölçecek ve uzayda GPS ile navigasyon hizmeti sunacak. Derin uzay atom saatini SpaceX şirketine ait Falcon Heavy roketi bugün uzaya fırlatacak. Peki nasıl çalışıyor ve uzaya atom saati göndermeye ne gerek var?

NASA’nın California’daki Jet İtki Laboratuarı’nda derin uzay seyrüsefer uzmanı olarak çalışan Jill Seubert buna net cevap veriyor: “Bugün uzayın derinliklerinde çalışan bütün uzay araçları Dünya’dan sağlanan navigasyon hizmetiyle yolunu buluyor. Böylece uzay araçlarının nerede olduklarını ve daha da önemlisi nereye gittiklerini biliyoruz.” Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, Dünya gezegeni navigasyon işinde yeterliyse neden uzaya pahalı atom saati gönderip NASA bütçesini harcıyoruz?”

Bunun sebebi, Dünya’da atom saatleri olsa da uzay araçlarında atom saati olmaması. Bu da sondaların sürekli yoldan çıkmasına neden oluyor ve biz de sürekli rota düzeltmesi yapıyoruz. Bu durum yakıt harcamasını artırıyor ve hem zaman, hem de para kaybına yol açıyor. Sırf bu yüzden NASA aynı parayla uzaya 10 araç gönderecekse 8 araç gönderiyor.

İlgili yazı: Işık Yelkeni 2 Falcon Heavy ile Uzaya Gidiyor

 

Çözüm uzayda atom saati

NASA bu sorunu çözmek için cıva atomlarıyla çalışan yeni bir atom saati geliştirdi ki bugüne dek uzaya atom saati gönderememiş olmamızın sebebi de buydu: Sezyum atomuyla çalışan ve 60 yıldır kullandığımız standart atom saatleri buzdolabı boyunda oluyor. Biz ise masraflardan kısmak için uzay araçlarının küçük ve hafif olmasını istiyoruz.

Nitekim yeni saat ekmek kızartma makinesi boyunda ve insanların Mars’a yerleşmesi için kızıl gezegende ön keşif yapmak üzere, gelecek 10 yılda uzaya fırlatacağımız bütün araçlara kolayca sığacak boyutta. Özetle yeni atom saati, uzay araçlarının saati Dünya’dan haber almadan ölçmesini sağlayacak. Böylece Mars’a ve diğer gezegenlere giderken yolunu kendi başına bulacaklar.

Oysa Dünya’daki GPS uydularının saatini günde iki kez düzeltmemiz gerekiyor; çünkü bunlar hassas atom saati kullanmıyor. Ayrıca Dünya yörüngesinde yerçekimi azaldığı için ve Einstein’ın görelilik teorisi uyarınca GPS uydularının saati sürekli kayıyor. Oysa uzay boşluğunda yerçekimi yok ve uzay sondaları da atom saati ile zamanı Dünya’dan 50 kat kesin ölçerek yolunda düzgün gidecekler.

Sonuçta cetvelle ölçemeyiz

Düşünün ki yaklaşık 60 milyon km uzaktaki Mars’a yeni bir uydu gönderiyorsunuz. Peki Dünya’dan 30 milyon km uzakta iken yerini nasıl bulacaksınız? Cetvel çıkarıp ölçecek haliniz yok. Bunun yerine, uzay araçları çanak antenle Dünya’ya radyo sinyalleri gönderiyor. Tabii ışık hızı saniyede yaklaşık 300 bin km ile sınırlı olduğu için sinyallerin Dünya’ya ulaşması zaman alıyor. Biz de sinyaldeki gecikmeye bakarak Mars’a giden aracın ne kadar uzak olduğunu buluyoruz.

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Oysa bunu bilmek yetmez

Bir de aracın Dünya ve Mars’a göre konumunu bilmek lazım ki gerekirse rota düzeltmesi yapalım. Üstelik uzay araçları saatte 30 – 40 bin km ile gittikleri uzayda hızla yer değiştiriyor. İşte bu yüzden bize zamanı kesin ölçen navigasyon sistemleri gerekiyor. Yoksa Mars 2020 gezgini gibi pahalı robotlar göz açıp kapayıncaya kadar uzayda kaybolur. Nitekim kaybolanlar da olmuştur.

Uzayda navigasyon hizmetinin nasıl çalıştığına gelince: Uyduların uzaydan gönderdiği sinyallerin ne zaman gönderildiğini de biliyoruz; çünkü bizzat uydu gönderdiği sinyallere bu bilgiyi ekliyor. Biz de sinyaldeki gecikmeye bakarak uydunun Dünya’ya uzaklığını ölçüyoruz. Sonra gerekirse rota düzeltmesi yapıyoruz.

Ancak, uzay araçları uzaklara gittikçe sinyal gecikmesi de artıyor. Örneğin, Jüpiter bizden ortalama 594 milyon km uzakta ve Jüpiter yörüngesinde dönen Juno sondasının bize gönderdiği sinyaller ışık hızıyla 33 dakikada ulaşıyor. Acil bir durum olsa biz Juno’nun çağırısını duyup cevap verene kadar 1 saat geçecek; ama o saate kadar Juno sinyal gönderdiği yerden 40 bin km’ye dek uzaklaşmış olacak!

Ayrıca uzaklaşmasa ne olur? Yarın öbür gün uzayda binlerce uzay aracı olacak. Nasıl ki bugün Sabiha Gökçen Havalimanı’nın radarlarıyla New York JFK havalimanına inen uçakları izlemek pratik değil, aynı şey uzayda da olacak. Uzay çok kalabalık olacak ve bütün uzay araçlarının kendi atom saatini taşıması gerekecek.

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

NASA uzay araçlarını nasıl yönetiyor?

Peki NASA bugüne dek uzaya gönderdiği araçları nasıl idare ediyor derseniz; California, Avustralya (Canberra) ve İspanya’da (Madrid) bulunan üç Derin Uzay İletişim Ağı karakolu kullanıyor. Dünya kendi çevresinde döndüğü için çanak antenlerden biri her zaman Mars yönüne bakıyor. İletişim karakolları uzay araçlarına düzenli ping göndererek yerini yokluyor ve rotada kalmalarını sağlıyor.

Mars yüzeyindeki yer araçları da kızıl gezegen yörüngesinde dönen ve Dünya’dan gelen sinyalleri alan uyduların GPS hizmeti ile yolunu buluyor. Ancak, tüm araçları Dünya’dan gelen sinyallere bağlamak bütün yumurtaları tek sepete koymak gibi. Aynı zamanda bant genişliğini de daraltıyor; çünkü bütün araçlar Mars uydularıyla sürekli bağlantıda olup rota izlemeyi paylaşımlı kullanmak zorunda kalıyor.

Atom saatleri ise Mars’taki astronotlara gerçek zamanlı konum hizmeti sunacak. Bunun için Dünya’dan gelen gecikmeli sinyalleri beklemeyecekler. Örneğin, Mars uydularını görmeyen çukurluk yerler veya mağaralarda atom saati telsiz bağlantısıyla yerel konum hizmeti sunacak.

Artık kimse Mars’ta kaybolmayacak: Mars’ta yer alan ve Güneş Sistemi’nin en büyük dağı olan Olympos Mons’a tırmanan dağcılar bile Google Haritalar Mars uygulamasını açıp yerini bulabilecekler; çünkü gelecekte atom saati cebe girecek kadar küçülecek.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Atom saati pek yakında geliyor

Uçuş ertelenmezse yeni atom saati SpaceX şirketinin Falcon Heavy roketi ile bugün uzaya fırlatılacak. Böylece NASA 80 milyon dolara mal olan derin uzay atom saati sistemini Dünya yörüngesinde test etmeye başlayacak. Falcon Heavy, Planetary Society şirketinin güneş yelkenini de fırlatacak.

Dünya’dan 720 km yüksekte bir yıl boyunca test edilecek atom saati prototipinin kalibrasyonu bitince, gelecekteki uzay araçlarına takılacak olan ticari modeller geliştirilecek. Oysa şimdilik uzay araçlarında klasik Casio elektronik kol saatleri gibi kuvars kristalleri kullanılıyor; ama bunlar altı haftada 1 milisaniye geri kalıyor. Bu da uzay aracının düzeltme gelene kadar yoldan 300 km sapması demek.

Derin uzay atom saati ise sezyum ve rubidyum atomları yerine elektrik yüklü cıva atomları kullanıyor. Bunları ton balığı konservesi büyüklüğündeki iki kutunun içinde manyetik alanlara hapsediyor. Biz de periyodik titreşimleri gösteren ışık sinyallerine bakarak zamanı çok kesin bir şekilde ölçüyoruz. Son 20 yılda geliştirilen cıva tabanlı atom saatleri zamanı sezyum saatlere göre 50 kat kesin ölçüyor.

Peki gelecekte komşu yıldızlara göndereceğimiz uzay gemileri yolunu nasıl bulacak? Onu da NASA’nın Nötron Yıldızlarıyla X-Işını Navigasyon Sistemi yazısında okuyabilirsiniz. Evrendeki yıldızlar ve galaksilerin uzaklığını nasıl ölçtüğümüzü görmek için de Standart Mumlara bakabilirsiniz. Muhteşem bir hafta dilerim.

Atom saati nasıl çalışıyor?

¹Deep Space Atomic Clock (DSAC)
²Trapping of Neutral Mercury Atoms and Prospects for Optical Lattice Clocks
³Compact Optical Atomic Clock Based on a Two-Photon Transition in Rubidium