Πώς ένα μικροσκοπικό λάθος στη μέτρηση του χρόνου στο Διάστημα μπορεί να προκαλέσει χάος στη Γη

Ο χρόνος, έχει και υποκειμενική διάσταση. Το “έρχομαι σε λίγο” είναι ανοιχτό σε ερμηνεία. Κάποιοι έχουν εμμονή με την ακρίβεια στα ραντεβού, άλλοι είναι πάντα αργοπορημένοι. Ακόμα και ο χρόνος που περνάει, για κάποιους είναι κατάρα, για άλλους ευλογία.

Ο χρόνος στο Διάστημα από την άλλη είναι καθοριστικός για τη Γη και ένα μικροσκοπικό λάθος εκεί, μπορεί να προκαλέσει… χάος εδώ. Για την ακρίβεια, αν η μέτρηση του χρόνου στο διάστημα αποκλίνει έστω και κατά μερικά δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, μπορεί να διαταράξει τη λειτουργία του παγκόσμιου τραπεζικού συστήματος, να αποπροσανατολίσει αυτοκίνητα, ακόμη και να βυθίσει περιοχές του πλανήτη στο σκοτάδι.

Η τήρηση, όμως, της ακρίβειας στο Διάστημα, δεν είναι τόσο απλή υπόθεση όσο το να χαράξεις μια ευθεία γραμμή σε ένα χαρτί.

Ακόμη και τα ρολόγια που φορούν οι αστροναύτες υφίστανται τεράστιες πιέσεις και ακραίες συνθήκες, που καθιστούν τη μέτρηση του χρόνου ένα πραγματικό μηχανικό επίτευγμα.

Η πρόκληση ξεκινά πριν καν φύγουν από τη Γη

Η πρώτη δυσκολία εμφανίζεται πριν καν τα ρολόγια εγκαταλείψουν την ατμόσφαιρα της Γης.

“Η εκτόξευση από τη Γη προς το Διάστημα είναι μια ιδιαίτερα βίαιη διαδικασία”, λέει ο Christoph Grainger-Herr, διευθύνων σύμβουλος της πολυτελούς ωρολογοποιίας IWC, στο Sky News.

Η IWC σχεδιάζει τα ρολόγια που θα φορούν οι αστροναύτες στον νέο ιδιωτικό διαστημικό σταθμό που θα εκτοξευθεί από την εταιρεία VAST μέσα στην επόμενη χρονιά.

“Δονήσεις, κραδασμοί, θερμότητα — όλα αυτά τα στοιχεία επηρεάζουν τον περίπλοκο μηχανισμό ενός ρολογιού”, πρόσθεσε.

Οι δονήσεις που προκαλούνται από τους χιλιάδες τόνους καυσίμου κατά την απογείωση είναι τόσο έντονες, που μπορεί να δημιουργήσουν δομικά προβλήματα ακόμη και στον πύραυλο — πόσο μάλλον σε ένα ρολόι χειρός.

Ο διαστημικός περίπατος και η αιώρηση των αστροναυτών

Και τα προβλήματα δεν σταματούν όταν οι αστροναύτες μπουν σε τροχιά.

“Όταν βρίσκεσαι εκεί έξω, έχεις να αντιμετωπίσεις τη μικροβαρύτητα”, εξηγεί ο Grainger-Herr.

Οι ωρολογοποιοί πρέπει να λάβουν υπόψη τους πώς επηρεάζεται ο μηχανισμός του ρολογιού όταν ο αστροναύτης αιωρείται σε διαφορετικές θέσεις.

Η απόλυτη πρόκληση έρχεται όταν οι αστροναύτες πραγματοποιούν διαστημικό περίπατο.

Οι θερμοκρασίες έξω από τον διαστημικό σταθμό μπορούν να κυμαίνονται από -150°C στο σκοτάδι έως πάνω από 100°C στο ηλιακό φως.

Αυτές οι ακραίες διακυμάνσεις, μαζί με τη ραδιενέργεια που δέχονται οι αστροναύτες, μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά τη λειτουργία ενός ρολογιού.

Ο Grainger-Herr εξηγεί: “Όταν μιλάμε για ζωτικής σημασίας εφόδια, θέλεις να γνωρίζεις πόσος χρόνος έχει περάσει από την αρχή της αποστολής, πόσο χρόνο είσαι εκεί έξω και πόσο χρόνο έχω περάσει εκτός του διαστημοπλοίου. Όλα αυτά είναι εντελώς νέες απαιτήσεις για ένα μηχανικό ρολόι σε σύγκριση με ό,τι έχουμε συνηθίσει στη Γη και στην αεροπλοΐα.

Αυστηρές δοκιμές στα ρολόγια πριν από την εκτόξευση

Ο Max Haot, διευθύνων σύμβουλος της VAST, τόνισε ότι κάθε κομμάτι εξοπλισμού σε έναν διαστημικό σταθμό περνά από αυστηρές δοκιμές. Οι μηχανικοί του θα υποβάλουν αυτά τα ρολόγια σε δοκιμές πίεσης πριν από την εκτόξευσή τους, χρησιμοποιώντας εσωτερικούς πίνακες κραδασμών, πίνακες κρούσης και ανάλυση υλικών, ώστε να διαπιστωθεί η αντοχή τους.

“Στην πραγματικότητα κάνεις υπερβολικές δοκιμές, δεν τα δοκιμάζεις απλώς στο περιβάλλον που θα αντιμετωπίσεις — αφήνεις πάντα περιθώρια ασφαλείας. Όμως τίποτα δεν συγκρίνεται με την πραγματική πτήση και αποστολή”, είπε.

Για να εξασφαλίσει ότι τα ρολόγια μπορούν να αντέξουν στο διάστημα, η ομάδα του κ. Grainger-Herr αξιοποιεί την εμπειρία της από τη συνεργασία με πιλότους μαχητικών, χρησιμοποιώντας μερικά από τα πιο ανθεκτικά υλικά τους, όπως τιτάνιο αναμεμειγμένο με κεραμικό, και αποσβεστήρες υψηλής έντασης, για να εξασφαλίσει τη μέγιστη αντοχή των ρολογιών.

Η ακρίβεια των δορυφόρων GPS

Ωστόσο, το να κρατήσεις έναν αστροναύτη στην ώρα του είναι απλό σε σύγκριση με τη δουλειά των ρολογιών που περιφέρονται γύρω από τη Γη σε δορυφόρους

“Ο δέκτης GPS υπολογίζει τη θέση του από τη χρονική ακολουθία των σημάτων που λαμβάνει από διαφορετικούς δορυφόρους”, εξηγεί ο Dr. Ramsey Faragher, διευθύνων σύμβουλος του Royal Institute of Navigation. “Αν τα ρολόγια σας αποκλίνουν μεταξύ τους περισσότερο από μερικά νανοδευτερόλεπτα, τότε αρχίζουν να εμφανίζονται αισθητά σφάλματα στις θέσεις στη Γη”.

Όμως στο Διάστημα, υπάρχουν δυνάμεις πολύ ισχυρότερες από την ανθρώπινη ανάγκη για προσανατολισμό.

Όταν κοιτάς τον νυχτερινό ουρανό, ίσως να παρατηρήσεις έναν δορυφόρο να κινείται ήρεμα στον ουρανό. Στην πραγματικότητα, όμως, αυτός ο δορυφόρος κινείται με ταχύτητα δεκάδων χιλιάδων μιλίων την ώρα.

«Ο Αϊνστάιν απέδειξε ότι όσο πιο γρήγορα κινείται ένα σώμα, τόσο πιο αργά κυλά ο χρόνος γι’ αυτό. Έτσι, τα ρολόγια στους δορυφόρους φαίνονται να “τρέχουν” πιο αργά», είπε ο Dr. Faragher.

“Στην πραγματικότητα, η ταχύτητά τους επιβραδύνει το ρολόι κατά 7,2 μικροδευτερόλεπτα την ημέρα. Έπειτα υπάρχει η αντίθετη δύναμη της βαρύτητας – ή μάλλον η έλλειψή της. Τα ρολόγια βρίσκονται 20.000 χιλιόμετρα μακριά και σε ένα ασθενέστερο βαρυτικό πεδίο από ό,τι εμείς στην επιφάνεια της Γης.” προσθέτει.

Ο συνδυασμός αυτών των δύο φαινομένων σημαίνει ότι τα ρολόγια στους δορυφόρους πρέπει να “χτυπούν” 38 μικροδευτερόλεπτα πιο γρήγορα από εκείνα στη Γη — διαφορετικά οι θέσεις GPS θα αποκλίνουν έως 10 χιλιόμετρα την ημέρα.

Από τον χαλαζία στα ατομικά ρολόγια

Ένα κοινό ρολόι χαλαζία μετρά τον χρόνο μέσω δονήσεων του χαλαζία και μπορεί να παρέχει ακρίβεια δευτερολέπτου.

Αντίθετα, τα δορυφορικά ρολόγια μετρούν δονήσεις διαφόρων τύπων ατόμων, προσφέροντας εξαιρετικά μεγαλύτερη ακρίβεια.

Ολόκληρη η σύγχρονη κοινωνία εξαρτάται από τα χρονικά σήματα του Διαστήματος: τρένα, κινητά τηλέφωνα, επικοινωνίες, ηλεκτρικά δίκτυα, τραπεζικά συστήματα και μεταφορές.

Αλλά αυτά τα συστήματα είναι ευάλωτα.

Πρόσφατα, ο πιλότος που μετέφερε την πρόεδρο της Ευρωπαϊκής Επιτροπής Ούρσουλα φον ντερ Λάιεν αναγκάστηκε να προσγειωθεί με χάρτες χαρτιού, λόγω παρεμβολής GPS.

Τον Οκτώβριο, οι επιστήμονες ανέφεραν ότι είχαν εντοπίσει έναν δορυφόρο πάνω από τη Βαλτική Θάλασσα ο οποίος διακοπτόταν περιοδικά και «ισχυρά» παρεμβαίνοντας στα χρονικά σήματα από το διάστημα, και αυτό συνέβαινε περίπου για μια δεκαετία.

Σύμφωνα με το Sky News, περίπου 1.500 πτήσεις την ημέρα πλήττονται από παρεμβολές στο GPS τους.

Εναλλακτικά συστήματα για να διασφαλιστεί η ακρίβεια στη μέτρηση του χρόνου

”Το GPS είναι τόσο εύκολο στη χρήση του και τόσο εξυπηρετικό που οι άνθρωποι δεν σκέφτονται τι θα συμβεί αν πάψει να λειτουργεί”, είπε ο Dr. Harry Pointon, ειδικός στην ακριβή χρονομέτρηση και την πλοήγηση.

“Δεν θέλουμε να το αντικαταστήσουμε, αλλά να το ενισχύσουμε”.

Στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής (NPL) στο Τέντινγκτον, μια ομάδα επιστημόνων προσπαθεί να παρακάμψει εντελώς το Διάστημα, μεταδίδοντας τον ακριβή χρόνο απευθείας μέσω οπτικών ινών.

“Παρέχουμε μια εναλλακτική για το GPS, παρακάμπτοντας το διαστημικό τμήμα και μεταδίδοντας τον χρόνο απευθείας”, εξήγησε ο Dr. Leon Lobo, επικεφαλής του Εθνικού Κέντρου Χρονομέτρησης του NPL.

Ο στόχος είναι η δημιουργία νέων, αξιόπιστων χρονικών σημάτων, ώστε να μην εξαρτόμαστε μόνο από τα δορυφορικά συστήματα.

Ρολόγια που δεν χάνουν ούτε ένα δευτερόλεπτο στο σύμπαν

Το NPL αναπτύσσει ένα ρολόι τόσο ακριβές, που θα έχανε μόλις ένα δευτερόλεπτο σε ολόκληρη τη διάρκεια ζωής του σύμπαντος.

“Όλοι θέλουν ταχύτητα και όχι καθυστερήσεις· και όλα αυτά απαιτούν καλύτερη μέτρηση του χρόνου”, δήλωσε ο Dr. Lobo.

Στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) δοκιμάζει ένα ρολόι ψυχρών ατόμων, που χρησιμοποιεί λέιζερ για να “παγώνει” τα άτομα και να επιτυγχάνει ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια.

Παράλληλα, στο Porton Down, ένα μυστικό βρετανικό εργαστήριο άμυνας, αναπτύσσεται το πρώτο κβαντικό ρολόι του Ηνωμένου Βασιλείου, που θα μειώσει την εξάρτηση από τα δορυφορικά σήματα και θα λειτουργήσει μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια.

Την επόμενη φορά που θα καθυστερήσεις, μπορείς απλά να σκεφτείς ότι είναι ένα πρόβλημα απλώς γήινο, στο Διάστημα τα πράγματα θα ήταν πολύ χειρότερα!