Instrumentos de ACES listos para montarse a bordo de la nave Dragon de SpaceX
ACES, los relojes atómicos que llegan a la ISS: miden el tiempo más preciso en el espacio para probar la teoría de la relatividad
Los relojes PHARAO y SHM del programa ACES proporcionarán información clave y una precisión de un segundo durante 300 millones de años.
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Contar con un reloj en cada esquina —expresión literal cuando se trata de dispositivos con pantalla— da la falsa sensación de que su medición es una tarea ampliamente superada y dominada por el ser humano. Pero nada más lejos de la realidad. Tanto en España como en el resto del mundo, la cotidianidad con la que manejamos los tiempos está profundamente condicionada por tecnologías como el GPS, que requieren de una precisión extrema imposible de alcanzar por los relojes tradicionales y en la que innumerables grupos de científicos trabajan cada día.
Dentro de este campo, la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzará este mismo lunes el Conjunto de Relojes Atómicos en el Espacio (ACES, por sus siglas en inglés) rumbo a la Estación Espacial Internacional a bordo de la Misión de Reabastecimiento Comercial número 32, que realizará una nave Dragon a bordo de un cohete Falcon 9 de SpaceX. La hora del despegue está programada a las 10:15, hora de España peninsular, desde Cabo Cañaveral (Florida).
Y es que, según la teoría de la relatividad general de Einstein, la gravedad afecta a cómo pasa el tiempo, incluso se ha llegado a demostrar con experimentos en la Tierra. En ellos, los científicos lograron identificar que el tiempo pasa más rápido en la cima de una montaña que a nivel del mar.
Cohete Falcon 9 con la cápsula Dragon integrada esperando el lanzamiento
Partiendo de esa premisa, ACES quiere llevar más allá este tipo de demostraciones científicas realizando mediciones precisas en la Estación Espacial Internacional mientras orbita a unos 400 kilómetros de la superficie del planeta. "Los datos recopilados por ACES ofrecerán a los científicos nuevos conocimientos sobre la relación entre la gravedad y el tiempo, avanzando en nuestra comprensión de las leyes fundamentales de la física", tal y como explican desde la ESA, para luego trasladarlo a sistemas como el GPS.
La ciencia detrás del programa ACES es "verdaderamente interdisciplinaria", aseguran desde la Agencia. "Al comparar relojes en el espacio y en la Tierra, proporcionará a los científicos mediciones precisas para comprobar el efecto de dilatación del tiempo gravitacional de Einstein, investigar variaciones temporales de constantes fundamentales de la física y buscar materia oscura".
Relojes atómicos
"ACES surgió como un concepto en la década de 1990 y la ESA se involucró alrededor de 1997", ha contado Simon Weinberg, director del proyecto ACES en la Agencia Espacial Europea, en una rueda de prensa. "Ha sido un largo camino para todos nosotros, han pasado unos 32 años desde que se presentó el concepto por primera vez".
"Se trata de un proyecto tecnológicamente muy complejo, que consiste en pasar del concepto de un nuevo reloj atómico y llevarlo a la órbita", ha explicado. El sistema, compuesto por dos relojes, se colocará en el laboratorio Columbus que tiene la ESA en la Estación Espacial Internacional. "Se convertirá en la joya de la corona, no sólo por desde la perspectiva tecnológica, también por su ambición científica", ha apuntado en esta ocasión un portavoz de la ESA.
Reloj PHARAO de ACES en su proceso de integración
El programa ACES incluye dos relojes de última generación: PHARAO (Proyecto de Reloj Atómico de Enfriamiento de Átomos en Órbita, en su traducción de sus siglas en francés) y SHM (Máser de Hidrógeno Espacial).
El primero es un reloj atómico de cesio desarrollado por la agencia espacial francesa CNES. "Utiliza láseres para enfriar átomos de cesio cerca del cero absoluto", unos 273 grados Celsius bajo cero. A esta temperatura, permite "mediciones de tiempo y frecuencia extremadamente precisas", explican desde la ESA.
En la Tierra, un reloj que emplea el cesio como fuente tiene una altura de entre dos y tres metros para permitir que los átomos del elemento se proyecten hacia arriba e interactúen con los campos de microondas del reloj, antes de caer por la propia gravedad. Es aquí donde radica uno de los factores más complejos a los que se refería Weinberg durante su intervención.
En las condiciones de caída libre que se viven en la Estación Espacial Internacional, los átomos de cesio pueden propulsarse más lentamente a corta distancia y aún tener tiempo suficiente para la interacción con los campos de microondas del reloj. "Esto permite una reducción drástica del tamaño de PHARAO, manteniendo al mismo tiempo una alta estabilidad".
Reloj SHM de ACES
Por su parte, el SHM es un máser —un amplificador de microondas— de hidrógeno activo, un dispositivo que utiliza átomos de hidrógeno para medir la hora. Lo ha fabricado Safran Time Technologies en Suiza y utiliza ese elemento químico como referencia de frecuencia atómica. Su funcionamiento es similar al de los máseres pasivos que se emplean actualmente a bordo de los satélites Galileo, los componentes de la constelación de geoposicionamiento europea, sólo que han conseguido que sea hasta 10 veces más estable.
Una vez en órbita, el sistema ACES combinará la "excelente estabilidad del SHM durante una hora con la estabilidad y precisión a largo plazo del PHARAO". Tal y como indican desde la ESA, la conjunción de "estos relojes proporcionan una precisión de un segundo durante 300 millones de años".
Su vida espacial
Una vez el ACES llegue a bordo de la nave Dragon de SpaceX y se descargue dentro de las instalaciones de la ISS, un brazo robótico lo colocará en el módulo Columbus, donde permanecerá durante 30 meses recolectando datos científicos.
El sistema pretende registrar datos de forma continuada durante, al menos, 10 sesiones de 25 días cada una. Por otro lado, el experimento se operará desde Europa, a través de varias instalaciones ubicadas en Toulouse (Francia) y Múnich (Alemania), aunque su información trascenderá las fronteras europeas.
Módulo Columbus de la ESA en la ISS
La señal de ACES se transmitirá a una red de relojes terrestres mediante dos enlaces: uno de microondas y otro óptico. Las terminales terrestres se ubican en Reino Unido, Estados Unidos y Japón, con las que se intercambiará información horaria y se compensarán al mismo tiempo los efectos de la atmósfera y las duras condiciones del espacio.
Algunas estaciones de medición láser por satélite de Europa, como el observatorio ubicado cerca de Wettzell (Alemania), conectadas a relojes atómicos, también participarán en los experimentos de ACES.
"Estamos entusiasmados por las oportunidades que la red de relojes establecida por ACES traerá para la investigación física fundamental, aplicaciones de geodesia y cronometraje global", ha afirmado Luigi Cacciapuoti, científico del proyecto ACES en la ESA. "ACES responde hoy a una necesidad urgente de la comunidad científica y, seguramente, desempeñará un papel clave a la hora de impulsar la redefinición de la unidad estándar del tiempo".
