Atomikelloja Galileolle
Jos haluat tietää täsmälleen missä olet, osta hyvä kello. Tuo oli totta aikanaan 17. vuosisadalla suurten tutkimusmatkojen aikaan, mutta yhtälailla nyt, kun satelliitit kertovat laivoille sekstanttien sijaan missä mennään.
17. vuosisadan merenkulkijat kykenivät jo kertomaan kellonajan Auringon sijainnista, mutta sijainnin määrittämiseen tarvittiin tieto tarkasta ajasta jossain kiinnekohdassa - esimerkiksi Greenwichin tähtitornissa. Mikä tahansa paikka kelpasi, koska paikallisaika muttuu tunnin jokaista pituuspiirin 15 astetta kohden. Loppu oli laskentoa.
Valitettavasti laivoissa käytetyt kellot olivat kuitenkin epätarkkoja, kunnes englantilainen John Harrison rakensi ensiommäisen kunnollisen kellon, joka kesti merenkäynnin. Hänen kellonsa piti aikansa sekunnin tarkkuudella päivässä, mikä paikannustarkkuudeksi muutettuna tarkoitti noin 500 metrin maksimiheittoa vuorokaudessa. Se oli suuri askel eteenpäin, ja siksi hänen kelloistaan tuli klassikkoja: niitä voi ihailla nykyisin Greenwichin Kuninkaallisessa observatoriossa.
Tämän päivän paikannustietoja hankitaan aivan erilaisilla kelloilla. Sveitsin kelloteollisuuden sydänmailla sijaitsevat Neuchatelin observatorio ja Temex Neuchatel Time kehittävät eurooppalaista Galileo -navigointisatelliittisysteemiä varten atomien lähettämän säteilyn taajuuteen perustuvaa huipputarkkaa kelloa. Niiden tarkkuus on tuhansia miljoonasosasekunteja vuorokaudessa.
Satelliittien avulla tapahtuvassa navigoinnissa sijainti Maan pinnalla määrätään eri satelliiteista tulevan signaalin tuloaikaa mittaamalla. Koska signaalit kiitävät valon nopeudella, pitää aikaa mitata äärimmäisen tarkasti. "Kellot ovat avainasemassa sijainnin tarkkuutta määrätessä. Galileo-satelliittien kellot käyvät miljardisosasekunnin vuorokausitarkkuudella, joten paikannustarkkuudeksi saadaan silloin noin 45 cm ," sanoo Franco Emma, ESAn kello- ja navigointiekspertti ESTECissä, Hollannissa sijaitsevassa avaruustekniikan tutkimuskeskuksessa.
Galileo-systeemiin kuuluu 30 satelliittia, joista jokaisessa on kaksi kelloa: yksi rubidiumiin ja toinen passiiviseen maseriin perustuva. Periaate on molemmissa sama, eli kun atomi pakotetaan hyppäämään energiatilalta toiselle, se lähettää sille ominaisen hyvin tarkalleen samanlaisen mikroaaltosäteen.
Rubidiumkellon taajuus on noin 6GHz ja vetymaserkellon taajuus on noin 1.4GHz. "Kellon perustaajuus on hyvin tasainen referenssisignaali, jonka perusteella voimme synnyttää hyvin tarkasti satelliittien paikannussignaaleissa käytettävät aikamääreet", sanoo Emma. Myös vähemmän tarkat kellot voivat tarkistaa oman aikansa jatkuvasti Galileo-satelliittien lähettämästä signaalista. Vaikka Galileo-systeemin kellot ovat tarkkoja, niitä pidetään ajassa vieläkin tarkempien Maan päällä sijaitsevien kellojen avulla.
Parhaimmat atomikellot perustuvat esimerkiksi cesiumiin, joka kykenee pitämään yllä tasaisen taajuuden hyvin pitkän aikaa - paljon pitempään kuin rubidium- tai vetymaserkellot. Maailman perusaika määritetään juuri cesiumatomin säteilyyn perustuvien kellojen avulla.
Galileon kellot ovat ensimmäiset eurooppalaiset satelliitteihin asennettavat suurtarkkuuskellot. "Vastaavia on kyllä saatavilla Yhdysvalloista ja Venäjältä (mm. GPS- ja GLONASS-satelliiteissa käytettyjä), mutta mielestämme meillä pitää olla myös valmius sellaisten tekemiseen", toteaa Emma. Passiiviseen vetymaseriin perustuva kello on myös laatuaan ensimmäinen avaruudessa. Sitä rakennetaan parhaillaan Neuchatelin observatoriossa Sveitsissä. Kelloistaan kuuluisan alueen toinen tekijä, Temex Neuchatel Time, vastaa puolestaan rubidiumkellon valmistamisesta. Galileo-satelliittien elektroniikan toimittaa puolestaan Astrium-yhtiön saksalainen osasto.
Rubidiumkellon pitäisi olla valmis testejä varten tämän vuoden loppuun mennessä, jolloin vetymaserkellon ns. insinöörimalli on jo valmis. Kummatkin näyttävät kykynsä kuitenkin kunnolla vasta vuonna 2004, jolloin ensimmäinen Galileo-satelliitti aloittaa laukaisuaan edeltävän koeohjelman.
