Le tecnologie PNT spaziali sono una parte fondamentale delle infrastrutture nazionali e sono alla base della nostra vita quotidiana, dai sistemi di comunicazione e trasporto alle reti informatiche.
Tuttavia, esiste la necessità ormai riconosciuta di una maggiore robustezza dei futuri sistemi PNT per mantenere e migliorare la precisione temporale per periodi di tempo estesi in cui viene persa la sincronizzazione continua con i segnali di orologio provenienti dagli orologi principali dei satelliti di navigazione globale. Tali rifiuti di segnale possono essere dovuti a condizioni meteorologiche spaziali, malfunzionamento del sistema o azioni ostili.
Una soluzione è sviluppare orologi ottici robusti e portatili con dimensioni, peso e potenza ridotti (SWAP) che abbiano una precisione migliore rispetto ai sistemi a microonde. Cavità ottica cubica dispiegabile nello spazio la tecnologia è una componente chiave per raggiungere questo obiettivo.
Attualmente, gli orologi atomici a bordo dei satelliti di navigazione globale utilizzano la radiazione a microonde per agganciarsi a frequenze di riferimento di assorbimento atomico delle microonde particolarmente stabili.
Durante l’ultimo decennio, gli orologi atomici ottici, in cui i laser interrogano e agganciano assorbimenti atomici ottici a frequenze molto più elevate, hanno dimostrato incertezze significativamente ridotte sugli orologi a microonde.
I laser degli orologi ottici necessitano di un controllo preciso della frequenza e, per il “laser dell’orologio”, di un’ulteriore prestabilizzazione per ottenere larghezze di linea ultraristrette. La cavità ottica cubica di NPL funge da unità di controllo optoelettronica compatta dell'orologio e mantiene la stabilizzazione della frequenza del laser dell'orologio e di tutti i laser ausiliari necessari per il funzionamento dell'orologio ottico.
Attraverso questo progetto, sostenuto da UKSA nell'ambito del programma NAVISP dell'ESA, NPL migliorerà la sua attuale tecnologia a cavità cubica per creare un'unità di controllo dell'orologio a basso SWAP (LS-CCU) specificatamente per l'uso negli orologi ottici di prossima generazione per le tecnologie PNT.
Il dispositivo sarà progettato per resistere ai rigori del volo spaziale e sarà sottoposto a test preliminari di laboratorio in condizioni rappresentative che emulano quelle incontrate nello spazio.
Sebbene questa attività sia incentrata sulla tecnologia degli orologi ottici di piccole dimensioni, peso e potenza per PNT, esiste una serie di altre potenziali applicazioni per i laser stabilizzati a cavità cubica nello spazio, dalle telecomunicazioni al cambiamento climatico e alla fisica fondamentale, allo studio di vari scienziati spaziali. agenzie come la NASA e l’ESA.
Nella NASA/ESA Il lancio della Next Generation Gravity Mission (NGGM) è previsto per la fine degli anni '2020, i laser NPL stabilizzati con cavità cubica possono essere utilizzati per misurare il campo gravitazionale terrestre in funzione della posizione sulla superficie terrestre. Questa missione sarà composta da due satelliti orbitanti attorno alla Terra in LEO e separati da circa 100 km.
I cambiamenti nella distanza tra i satelliti, misurati utilizzando l'interferometria laser, riflettono i cambiamenti nel livello del geoide (livello nominale dell'oceano e del mare) dovuti alla topologia della massa terrestre al passaggio del primo satellite.
I dati raccolti alimentano le previsioni sui cambiamenti climatici e forniscono informazioni che consentono ai responsabili politici di adottare adeguate strategie di mitigazione e adattamento.
Nella futura missione NASA/ESA Laser Interferometer Space Antenna, prevista per il 2030, i laser NPL stabilizzati a cavità cubica potrebbero essere utilizzati come riferimento per le misurazioni delle onde gravitazionali dallo spazio. La cavità cubica potrebbe fornire un riferimento di frequenza a breve termine sia nelle apparecchiature di supporto a terra che potenzialmente nello spiegamento spaziale.
Potenziali missioni successive oltre a NGGM e LISA coinvolgeranno probabilmente la tecnologia dell’orologio ottico in tutto lo spazio per fornire una capacità di mappatura dei dati della Terra ancora maggiore e opportunità di ricerca sulla fisica fondamentale. Esistono anche potenziali ricadute nelle telecomunicazioni globali che comportano la trasmissione di volumi elevati (big data) ad alta velocità, dove orologi e cavità ottici spaziali ad alta precisione potrebbero sostenere un multiplexing di canale più denso.
Una volta completato il progetto, LS-CCU fornirà un controller portatile di base per i laser ottici dell'orologio.
Cyrus Larijani, Strategic Business Development Manager per lo spazio e il nucleare, NPL, ha dichiarato: “La cavità cubica di NPL è una parte fondamentale dei nostri obiettivi di fornire un cronometraggio atomico che sia alla base delle tecnologie che fanno parte della nostra vita quotidiana.
L’adozione della tecnologia di prossima generazione rafforzerà la posizione di leader del Regno Unito nei sistemi PNT spaziali”.
Stefano Binda, Direttore NAVISP Element 1, ESA, ha dichiarato: “La robustezza dei sistemi PNT e di altre importanti applicazioni beneficerà in modo significativo delle eccezionali prestazioni attese degli orologi ottici spaziali, e sono molto lieto che l’ESA collabori con NPL, uno dei più importanti organizzazione autorevole nei sistemi di cronometraggio nel mondo, verso lo sviluppo di un’unità di controllo dell’orologio, l’elemento necessario per un orologio ottico perfettamente funzionante”.
Dean Thomas, responsabile tecnico PNT presso l’Agenzia spaziale britannica, ha dichiarato: “La nostra vita quotidiana dipende dalle informazioni di posizione, navigazione e temporizzazione (PNT) provenienti dai sistemi di navigazione satellitare nei trasporti, nelle comunicazioni, nella distribuzione di energia e nella risposta alle emergenze. Il nostro finanziamento per il lavoro di NPL sugli orologi ottici spaziali aumenterà la resilienza e la precisione di questi sistemi e garantirà che la tecnologia del Regno Unito sia all’avanguardia nei sistemi PNT spaziali.