Cette horloge atomique révolutionnaire peut tout changer à l’exploration spatiale

Les horloges atomiques terrestres sont ce qu’il y a de plus précis, et leur exactitude peut rester inaltérée pendant des décennies. Elles mesurent la fréquence stable et immuable du rayonnement électromagnétique émis par certains atomes. Cela permet de réguler le temps de toutes les horloges mécaniques à partir d’une référence pérenne, fidèle : le temps atomique international. Elles ont également une utilité GPS, en calculant le temps que met un signal pour transiter d’un point A à un point B.

Sauf que, même en étant extrêmement stables, les horloges atomiques actuelles ne le sont pas suffisamment pour être intégrées dans des engins d’exploration spatiale. Encombrantes, gourmandes en énergie, sensibles aux aléas de l’environnement, elles ne sont pas adaptées à des vols spatiaux. Or, une erreur d’une seconde suffit pour que vous loupiez Mars de milliers de kilomètres. Pour l’exploration spatiale, la précision ne doit pas être excellente ni extrême, elle doit être absolument parfaite. L’erreur n’est pas une option.

Résultat, à l’heure actuelle, le pilotage des engins envoyés loin de la Terre doit compter sur des postes de navigation situés sur notre planète. Ces vols spatiaux sont dépendants de cette communication Terre-espace. Une nouvelle technologie, développée par la Nasa, pourrait toutefois rendre ces appareils bien plus autonomes : Deep Space Atomic Clock (DSAC). Il s’agit d’une version miniaturisée et bien plus performante des horloges atomiques.

Dans un papier publié le 30 juin 2021 dans Nature, le groupe de recherche de la Nasa élaborant cette technologie annonce des avancées majeures : les tests prouvent que le projet est sur la bonne voie.

Une stabilité 10 fois supérieure

« La Deep Space Atomic Clock est particulièrement adaptée à l’environnement spatial en raison de sa faible sensibilité aux variations de rayonnement, de température et de champ magnétique », expliquent les auteurs. L’expérimentation a lieu depuis 2019 : en juin de cette année-là, l’horloge atomique était envoyée et activée dans l’espace, au niveau de l’orbite basse terrestre, afin de mettre sa performance à l’épreuve. Après 12 mois de fonctionnement, les données ont pu être analysées.

La première amélioration est à trouver ne serait-ce que dans la taille de l’horloge : la DSAC mesure la taille d’un petit grille-pain, contre de grands frigos pour celles actuellement utilisées sur Terre. Elle pourra donc être plus facilement chargée au sein de sondes et de robots d’exploration.

L'horloge atomique spatiale de la Nasa.

Source : JPL

Mais la révolution est aussi technologique et scientifique. Les horloges atomiques habituelles reposent sur des atomes neutres dans une chambre à vide et, ce faisant, les atomes interagissent avec la paroi de la chambre, raison pour laquelle l’horloge est sensible aux variations de l’environnement comme des variations de température. Mais la DSAC fonctionne avec des ions de mercure, chargés électriquement. Ces atomes ne sont pas neutres et peuvent être piégés dans un champ électromagnétique qui empêche les interactions avec la paroi — réduisant la sensibilité environnementale.

Il avait déjà été montré lors de tests contrôlés sur Terre qu’une telle horloge n’est susceptible que de perdre une seconde entière tous les 10 millions d’années. Quid une fois lancée dans l’espace ? L’étude publiée dans Nature en juin 2021 montre qu’un nouveau record de stabilité à long terme a été établi, la DSAS ayant atteint plus de 10 fois la stabilité des horloges atomiques spatiales actuelles, dont celles présentes dans les satellites GPS. Au cours d’une seule journée, l’horloge atomique spatiale de la Nasa ne dérive que de 26 picosecondes, soit des trillionièmes de seconde. À ce rythme, il faudrait bel et bien des millions d’années pour un décalage d’une seule seconde.

Cela confirme une précision historique de la Deep Space Atomic Clock tout à la fois pour mesurer avec exactitude une position et une destination — donc une trajectoire — mais aussi un maintien au long terme de cette mesure exacte.

Pour aller plus loin

Dans l’ombre de la conquête spatiale : 3 ingénieures nous parlent de leur quotidien

Vers Vénus et au-delà

Le potentiel d’une horloge atomique spatiale est plus élevé que ce qui a été démontré dans ce test, aussi réussi soit-il. En théorie, elle pourrait être jusqu’à 50 fois plus stable que les horloges atomiques utilisées aujourd’hui. Pour assurer des missions spatiales autonomes réussies, il est crucial que la performance se rapproche le plus possible de tels niveaux d’efficacité.

Lorsque l’expérimentation actuelle de la Nasa en orbite basse prendra fin, en août prochain, un nouveau projet va être lancé : Deep Space Atomic Clock-2.

Cette nouvelle mouture partira prochainement lors de la mission VERITAS, une sonde à destination de Vénus. Cette démonstration permettra de préciser encore davantage les mesures et d’éprouver la technologie pour en faire, un jour, un usage réel. « La sélection par la NASA de Deep Space Atomic Clock-2 sur VERITAS témoigne de la promesse de cette technologie. Sur VERITAS, nous voulons mettre à l’épreuve cette horloge spatiale de nouvelle génération et démontrer son potentiel pour la navigation et la science dans l’espace lointain », explique Todd Ely, chef de la recherche sur ce projet, sur le site du Jet Propulsion Laboratory.

Pour aller plus loin

La Nasa va retourner sur Vénus 30 ans plus tard : pour quoi faire ?