Teknologi baru ini dapat membuat navigasi pesawat ruang angkasa ke lokasi yang jauh seperti Mars menjadi lebih otonom. tetapi apakah jam atom itu? Bagaimana digunakan dalam navigasi luar angkasa, dan apa yang membuat jam atom luar angkasa berbeda? Simak penjelasan berikut ini
Mengapa kita menggunakan jam untuk bernavigasi di luar angkasa?
Untuk menentukan jarak pesawat ruang angkasa dari Bumi, navigator mengirim sinyal ke pesawat ruang angkasa, yang kemudian mengembalikannya ke Bumi. Waktu yang diperlukan sinyal untuk melakukan perjalanan dua arah tersebut mengungkap jarak pesawat ruang angkasa dari Bumi, karena sinyal bergerak pada kecepatan yang diketahui [kecepatan cahaya].
Walaupun kedengarannya rumit, kebanyakan dari kita menggunakan konsep ini setiap hari. Taman mungkin berjarak 30 menit berjalan kaki dari rumah. Jika kita tahu kita bisa berjalan sekitar satu kilometer dalam 20 menit, maka kita bisa menghitung jarak ke taman. Dengan mengirimkan banyak sinyal dan melakukan banyak pengukuran dari waktu ke waktu, para navigator dapat menghitung lintasan pesawat ruang angkasa, ke mana dan ke mana tujuannya.
Sebagian besar jam modern, dari jam tangan hingga yang digunakan di satelit, waktu menggunakan osilator kristal kuarsa. Fakta bahwa Perangkat ini memanfaatkan kristal kuarsa bergetar pada frekuensi yang tepat saat tegangan diberikan padanya. Getaran kristal bertindak seperti pendulum jam tua, menandai berapa lama waktu telah berlalu. Untuk mengetahui posisi pesawat ruang angkasa dalam satu meter, para navigator membutuhkan jam dengan resolusi waktu yang presisi atau jam yang dapat mengukur sepersejuta detik. Navigator juga membutuhkan jam yang sangat stabil. “Stabilitas” mengacu pada seberapa konsisten jam mengukur satuan waktu, pengukurannya terhadap satu detik, misalnya, harus sama [lebih baik dari sepersejuta detik] selama berhari-hari dan berminggu-minggu.
Apa hubungan atom dengan jam?
Menurut standar navigasi luar angkasa, jam kristal kuarsa tidak terlalu stabil. hanya dengan satu jam, osilator kuarsa yang berkinerja terbaik pun bisa mati dengan satu nanodetik [satu miliar detik]. Setelah enam minggu, mereka mungkin meleset satu milidetik [seperseribu detik], atau kesalahan jarak 300 kilometer. Itu akan berdampak besar pada pengukuran posisi pesawat ruang angkasa yang bergerak cepat.
Jam atom menggabungkan osilator kristal kuarsa dengan ansambel atom untuk mencapai stabilitas yang lebih baik. Jam Atom Luar Angkasa akan meleset kurang dari satu nanodetik setelah empat hari dan kurang dari satu mikrodetik [satu juta detik] setelah 10 tahun. Ini sama dengan berhenti hanya satu detik setiap 10 juta tahun. Atom terdiri dari inti [terdiri dari proton dan neutron] yang dikelilingi oleh elektron. Setiap elemen pada tabel periodik mewakili atom dengan sejumlah proton di intinya. Jumlah elektron yang berkerumun di sekitar nukleus dapat bervariasi, tetapi mereka harus menempati tingkat energi yang tersembunyi, atau orbitnya. Sentakan energi dalam bentuk gelombang mikro dapat menyebabkan elektron naik ke orbit yang lebih tinggi di sekitar inti. Elektron harus menerima jumlah energi yang tepat artinya gelombang mikro harus memiliki frekuensi yang sangat spesifik untuk melakukan lompatan ini.
energi yang dibutuhkan untuk membuat elektron mengubah orbit adalah unik di setiap elemen dan konsisten di seluruh alam semesta untuk semua atom dari elemen tertentu. Misalnya, frekuensi yang diperlukan untuk membuat elektron dalam atom karbon mengubah tingkat energi adalah sama untuk setiap atom karbon di alam semesta. Jam Atom Luar Angkasa menggunakan atom merkuri, frekuensi yang berbeda diperlukan untuk membuat elektron tersebut berubah level, dan frekuensi tersebut akan konsisten untuk semua atom merkuri.
Mampu mengukur frekuensi yang tidak dapat diubah dalam atom tertentu menawarkan ilmu pengukuran waktu yang universal dan terstandarisasi. [“Frekuensi” mengacu pada jumlah gelombang yang melewati titik tertentu di ruang angkasa dalam satuan waktu tertentu. Jadi, dengan menghitung gelombang, waktu dapat diukur.]
Faktanya, pengukuran resmi panjang satu detik adalah ditentukan oleh frekuensi yang dibutuhkan untuk membuat elektron melompat di antara dua tingkat energi spesifik dalam atom cesium.
Dalam jam atom, frekuensi osilator kuarsa diubah menjadi frekuensi yang diterapkan pada kumpulan atom. Jika frekuensi turunan benar, hal itu akan menyebabkan banyak elektron di atom mengubah tingkat energi. Jika frekuensinya salah, jauh lebih sedikit elektron yang akan melompat. Ini akan menentukan apakah osilator kuarsa off frekuensi dan seberapa banyak. Sebuah “koreksi” yang ditentukan oleh atom kemudian dapat diterapkan pada osilator kuarsa untuk mengarahkannya kembali ke frekuensi yang benar. Jenis koreksi ini dihitung dan diterapkan pada osilator kuarsa setiap beberapa detik di Jam Atom Luar Angkasa.
Apa yang unik tentang Jam Atom Luar Angkasa?
Jam atom digunakan pada satelit GPS yang mengorbit bumi, tetapi mereka harus melakukan pembaruan dua kali per hari untuk mengoreksi pergeseran jam alami. Pembaruan tersebut berasal dari jam atom yang lebih stabil di tanah/bumi yang besar [seringkali seukuran lemari es] dan tidak dirancang untuk pergi ke luar angkasa. 50 kali lebih stabil daripada jam atom di satelit GPS, Jam Atom Luar Angkasa NASA dimaksudkan untuk menjadi jam atom paling stabil yang pernah terbang di luar angkasa. Bisa mencapai stabilitas dengan nmenggunakan ion merkuri Ion adalah atom yang memiliki muatan listrik bersih, bukan netral secara elektrik. Dalam jam atom mana pun, atom terkandung dalam ruang vakum, dan beberapa jam tersebut, atom berinteraksi dengan dinding ruang vakum.
Perubahan lingkungan seperti suhu kemudian akan menyebabkan perubahan serupa pada atom dan menyebabkan kesalahan frekuensi. Banyak jam atom menggunakan atom netral, tetapi karena ion merkuri memiliki muatan listrik, mereka dapat dimasukkan ke dalam “perangkap” elektromagnetik untuk mencegah interaksi ini terjadi, memungkinkan Jam Atom Luar Angkasa untuk mencapai tingkat presisi yang baru. Untuk misi pergi ke tujuan yang jauh seperti Mars atau planet lain, ketepatan seperti itu memungkinkan navigasi otonom membuat komunikasi minimal ke dan dari Bumi, peningkatan besar dalam cara pesawat ruang angkasa saat ini dinavigasi.
Referensi
- L. Essen and J. M. Steele, “Comparison of atomic clocks,” in Journal of the Institution of Electrical Engineers, vol. 8, no. 85, pp. 32-34, January 1962, doi: 10.1049/jiee-3.1962.0018.
- T. A. Ely, E. A. Burt, J. D. Prestage, J. M. Seubert and R. L. Tjoelker, “Using the Deep Space Atomic Clock for Navigation and Science,” in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 65, no. 6, pp. 950-961, June 2018, doi: 10.1109/TUFFC.2018.2808269.
Jam atom paling akurat hanya kehilangan 1 detik setiap 300 miliar tahun.
REPUBLIKA.CO.ID, JAKARTA – Sekelompok fisikawan mengumumkan salah satu jam atom dengan kinerja tertinggi yang pernah dibuat. Temuan tersebut tercantum dalam penelitian yang dipimpin oleh UW-Madison yang diterbitkan pada Rabu [16/2/2022] di jurnal Nature.
Menurut studi, jam atom baru dapat mengukur waktu dengan sangat akurat sehingga hanya akan kehilangan satu detik setiap 300 miliar tahun. Ini memungkinkan pengukuran gelombang gravitasi, materi gelap, dan fenomena fisika lainnya.
Penulis Senior Studi sekaligus Profesor Fisika University of Wisconsin-Madison Shimon Kolkowitz mengatakan instrumen ini memiliki tingkat kinerja yang belum pernah dilihat oleh siapa pun. “Kami sedang bekerja untuk meningkatkan kinerja dan mengembangkan aplikasi baru yang diaktifkan oleh peningkatan kinerja ini,” kata Kolkowitz.
Secara umum, jam atom adalah jam yang melacak resonansi frekuensi atom, biasanya atom cesium atau rubidium. Proses ini memungkinkan jam tersebut untuk mengukur waktu dengan tingkat akurasi yang tinggi. Jam Atom Luar Angkasa NASA adalah contoh eksperimen berbasis ruang angkasa yang menguji teknologi di orbit selama dua tahun.
Jam atom bekerja dengan melacak tingkat energi elektron. Ketika sebuah elektron mengubah tingkat energi, ia menyerap atau memancarkan cahaya dengan frekuensi yang identik untuk semua atom dari unsur tertentu.
“Jam atom menjaga waktu dengan menggunakan laser yang disetel agar sesuai dengan frekuensi yang tepat. Butuh beberapa laser paling canggih di dunia untuk menjaga waktu yang akurat,” ujarnya.
Studi baru menciptakan jam multipleks yang memisahkan atom strontium menjadi garis dalam ruang vakum tunggal. Tim menggunakan laser dan menghasilkan tingkat presisi yang mendekati rekor dunia dalam pengukuran.
Jika mereka menyorotkan laser hanya pada satu jam, laser membuat keadaan energi elektron lebih tinggi dalam jumlah atom yang sama hanya dalam sepersepuluh detik. Tetapi dengan dua jam pada saat yang sama, atom tetap dalam keadaan energi lebih tinggi selama 26 detik.
“Biasanya, laser kami akan membatasi kinerja jam ini. Namun, karena jam berada di lingkungan yang sama dan mengalami sinar laser yang sama persis, efek laser benar-benar hilang,” ucapnya.
Tim peneliti kemudian mencoba mengukur perbedaan antara jam secara tepat karena dua kelompok atom di lingkungan yang sedikit berbeda akan berdetak pada tingkat yang berbeda. Tim menjalankan eksperimen lebih dari 1.000 kali untuk mengukur perbedaan dan menemukan lebih presisi dalam pengukuran dari waktu ke waktu.
Pada akhirnya, para peneliti mendeteksi perbedaan dalam tingkat detak antara dua jam atom yang sesuai, hanya satu detik setiap 300 miliar tahun. Pengukuran ketepatan waktu itu menetapkan rekor dunia untuk dua jam yang terpisah secara spasial.
Dikutip Space, Kamis [17/2/2022], studi lain yang dipimpin oleh sebuah lembaga penelitian Institut Bersama untuk Laboratorium Astrofisika [JILA] yang berbasis di Colorado, menetapkan rekor dunia untuk perbedaan frekuensi yang paling tepat. Sementara untuk grup UW-Madison berada di urutan kedua.
“Hal yang menakjubkan adalah kami menunjukkan kinerja yang serupa dengan grup JILA meskipun faktanya kami menggunakan laser yang lebih buruk,” kata Kolkowitz.