I quadricotteri che trasportano l'orologio potrebbero fornire un GPS ultra preciso

Il Global Positioning System è diventato uno dei pilastri fondamentali della vita del 21° secolo. La maggior parte delle persone nel mondo sviluppato possiede un ricevitore GPS e numerose industrie fanno affidamento su di esso, a volte per compiti critici per la vita.

Questo sistema è così importante che i governi, i leader del settore e le forze armate hanno studiato a lungo le sue carenze e si sono preoccupati di quanto sarebbe stato facile abbatterlo. I risultati del loro torcere le mani non sono affatto rassicuranti.

Uno scenario da incubo è la sindrome di Kessler, la preoccupante possibilità che una collisione nell'orbita terrestre possa causare una cascata di ulteriori collisioni che aumentano drasticamente la densità dei detriti spaziali. Ciò potrebbe distruggere l'intera costellazione di satelliti GPS in poche ore.

Così tanti gruppi hanno iniziato a pensare a come ripristinare il sistema GPS senza fare affidamento sui satelliti. E oggi, il National Institute of Standards and Technology del governo degli Stati Uniti pubblica i risultati di un programma che potrebbe renderlo possibile.

Prima un po' di background. I satelliti GPS sono essenzialmente orologi orbitanti che trasmettono segnali temporali precisi e sincronizzati. Un ricevitore a terra può triangolare la propria posizione confrontando i tempi di arrivo dei segnali provenienti da tre o più satelliti.

Gli orologi orbitanti sono orologi atomici basati su atomi di cesio. Quando gli elettroni in orbita attorno agli atomi saltano da uno stato all'altro, producono radiazioni con una frequenza esattamente di 9.192.631.770 hertz, il cosiddetto standard di cesio. Questo è usato per tenere il tempo.

Questi orologi atomici hanno una precisione di 10-6 secondi e sono regolarmente sincronizzati con i sistemi a terra. Questa sincronia è ciò che determina la precisione di posizionamento del sistema.

Tuttavia, gli orologi da terra possono essere sincronizzati con una precisione molto maggiore. In effetti, una tecnica nota come trasferimento ottico bidirezionale della frequenza temporale ha sincronizzato gli orologi entro 10-19 secondi.

Ma applicarlo agli orologi in movimento non è stato possibile. La procedura di sincronizzazione presuppone che il tempo impiegato dalla luce per viaggiare da un orologio all'altro sia lo stesso in entrambe le direzioni. Ma questo non è il caso se uno dei due orologi è in movimento. Quindi questo non può essere utilizzato per i sistemi di tipo GPS

Oggi, questo sembra destinato a cambiare, grazie al lavoro di Hugo Bergeron e dei colleghi presso la struttura del NIST a Boulder, in Colorado. Questi ragazzi hanno sviluppato una tecnica per sincronizzare una coppia di orologi in movimento con una precisione straordinaria.

Il segreto dietro il nuovo approccio è relativamente semplice. L'obiettivo è trovare un modo per tenere conto del movimento degli orologi. Quindi Bergeron e compagni misurano semplicemente il movimento relativo.

La velocità si trova dal tasso di variazione del tempo di volo misurato su tre misurazioni approssimativamente continue che richiedono circa 1,5 ms attraverso un collegamento turbolento, dicono.

Hanno messo alla prova questa nuova tecnica utilizzando segnali temporali trasmessi da catadiottri montati su una coppia di quadricotteri che possono muoversi a velocità relative fino a 24 metri al secondo.

E i risultati sono impressionanti. Gli orologi sincronizzati concordano con una frequenza di ~10-18, dicono.

Ovviamente è molto più preciso degli attuali segnali GPS e apre un'intera serie di nuove applicazioni. Non ultimo di questi è una navigazione più accurata, ma c'è anche il potenziale per esperimenti scientifici mobili distribuiti alla ricerca di tutto, dalle onde gravitazionali alla materia oscura.

E aumenta anche la possibilità di sostituire rapidamente la costellazione del satellite GPS in caso di disastro, utilizzando palloncini, droni o altri veicoli volanti.

Rif: arxiv.org/abs/1808.07870 : Sincronizzazione a femtosecondi degli orologi ottici di un quadricottero volante

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