Навигационные спутники ничего не могли бы сделать без чрезвычайно точных часов. Но обычные часы не подойдут. Только атомные часы достаточно точны, и это потому, что они определяют время с помощью электронов.
Эти атомные часы со временем изнашиваются, и это видно на изображении.
Странные формы напоминают penitentes, необычные особенности ландшафта, встречающиеся в холодных условиях, таких как пустыня Атакама. Их также можно найти на Плутоне, хотя там они размером с небоскребы.
Главный образ не имеет ничего общего с инопланетными пейзажами. Это снимок сканирующего электронного микроскопа. На нем изображена поверхность тестового стекла из проекта, направленного на увеличение срока службы атомных часов навигационной спутниковой системы Галилео (ГНСС). Каждая из этих своеобразных отметок меньше одной сотой миллиметра. Они являются результатом взаимодействия плазмы с поверхностью стекла внутри атомных часов и ее разрушения с течением времени.
ЕКА работает над улучшением атомных часов в ГНСС. В системе 30 спутников, 24 из которых находятся в эксплуатации, а шесть — в качестве запасных. Каждый из спутников имеет четыре атомных часа: два пассивных водородных мазерных (ПГМ) и два рубидиевых в качестве резервных. В 2017 году шесть водородных и три рубидиевых часов на некоторых спутниках вышли из строя. Резервные часы не повлияли на работу операций. Но подобные неудачи заставляют ЕКА совершенствовать часы. Часы на ГНСС служат около 20 лет, и ЕКА хотело бы продлить их срок службы.
Пассивные водородные мазеры основаны на электронах, вращающихся вокруг атомов. Электроны могут приобретать и терять энергию, и каждый раз, когда они это делают, они меняют энергетические состояния. В PHM мазер используется для стимулирования электронов в изменение энергетических состояний. Когда они это делают, они излучают микроволновые сигналы на чрезвычайно стабильной частоте. Эта стабильность придает часам на спутниках Галилео исключительную точность: они отстают всего на одну секунду каждые три миллиона лет.
PHM чрезвычайно сложны. Подробное описание того, как они работают, здесь. Две отдельные стеклянные колбы играют ключевую роль в часах и их точности. Один из них представляет собой ограничитель плазмы, внутри которого молекулы водорода разделяются на атомы водорода. Но плазма разрушает внутреннюю часть лампочки, и эта деградация влияет на срок службы атомных часов.
На главном изображении показаны повреждения внутри стеклянной колбы, вызванные плазмой и связанными с ней эффектами. Цель состоит в том, чтобы продлить срок службы лампочки, что продлит срок службы часов и каждого спутника в ГНСС.
Точность чрезвычайно важна для навигационных спутников. Даже небольшая неточность может усугубить ситуацию и привести к более крупным ошибкам. Вот почему используются эти чрезвычайно сложные и точные PHM. Если часы отстают всего на три наносекунды, то местоположение пользователя на поверхности Земли может отклоняться на один метр.
Но точность не проблема. Срок службы PHM является узким местом. ЕКА и ЕС планируют создать следующее поколение спутников Galileo — системы, которая обслуживает более четырех миллиардов пользователей. Он называется Galileo Second Generation (G2G), и его внедрение начнется в этом году. Эти испытания направлены на то, чтобы продлить срок службы этих и будущих навигационных спутников.
