Orologi spaziali

Galileo constellation
Galileo
26 Maggio 2006

Il nuovo sistema di navigazione satellitare europeo è ormai in fase di realizzazione. Quando sarà operativo, i trenta satelliti del Progetto Galileo permetteranno di stabilire la posizione in qualunque luogo della Terra, con una precisione eccezionale. Il vero cuore del sistema, a bordo dei satelliti, è la Timing Section, la parte responsabile della misurazione del tempo.

Sono gli orologi atomici, i più precisi e i più stabili in assoluto. Determinare la propria posizione è sempre stata una necessità di primaria importanza per i navigatori d’ogni tempo. Trovare la latitudine – quanto si è a nord o a sud rispetto all’equatore- era relativamente semplice: bastava, per questo, misurare l’altezza del Sole o della Stella polare sull’orizzonte. Più complessa era la determinazione della longitudine, cioè di quanto ci si trova a oriente o a occidente. C’erano, per questo, metodi astronomici, ideati fra gli altri da Galileo e da Newton.

Ma il metodo più affidabile arrivò più tardi. Era l’orologio. E’ risaputo –specialmente oggi che si viaggia molto- che l’ora locale cambia da luogo a luogo, spostandosi da est a ovest o viceversa. Perciò, dall’ora del luogo si può ottenere la propria longitudine. Portare un orologio a pendolo su una nave era impensabile. Il problema fu risolto da un geniale artigiano, un fabbricante d’ orologi inglese, John Harrison. I suoi orologi, costruiti fra il 1730 e il 1760, capolavori d’ingegneria e vere opere d’arte, che si possono ammirare a Greenwich, funzionavano perfettamente anche a bordo delle navi e avevano una precisione e, soprattutto, una stabilità mai raggiunta prima d’allora.

Da John Harrison agli orologi atomici

Hydrogen maser clock
Orologio MASER a idrogeno

Gli orologi atomici di oggi sono più precisi e più stabili di quelli costruiti da Harrison che, però, sono molto più belli. Poi, il loro funzionamento è diverso. Ma, soprattutto, ciò che li distingue – anche dagli altri orologi- è il loro uso. Non servono per sapere l’ora, ma per misurare un tempo, un brevissimo intervallo di tempo, con estrema precisione.

Ecco come funziona il sistema di navigazione satellitare. Per determinare la propria posizione, s’adopera un apparecchio ricevente che fornisce la distanza esatta che lo separa dai satelliti del sistema, dei quali è nota la posizione. Per far questo, i satelliti emettono un segnale radio che, viaggiando alla velocità della luce, circa 300.000 km/s, impiega un certo tempo per arrivare. Proprio questo tempo viene misurato e l’apparecchio, moltiplicandolo per la velocità della luce, calcola in un attimo la distanza dal satellite e stabilisce la propria posizione. Poiché il segnale è velocissimo e le distanze sono relativamente piccole, i tempi sono di conseguenza molto brevi. Per esempio, una distanza di un metro richiede già una precisione tre miliardesimi di secondo o nanosecondi. Soltanto gli orologi atomici possono garantire precisioni al nanosecondo e mantenere una stabilità durante parecchie ore.

Precisione svizzera

Rubidium clock
Orologio a rubidio

Galileo ha scelto, per i suoi orologi, la tradizionale qualità svizzera. L’orologio atomico prende il tempo da una frequenza molto stabile, che nasce da atomi posti su diversi livelli di energia. Un fascio di microonde interroga questi atomi che saltano da uno stato energetico all’altro e invia la frequenza a un cristallo di quarzo, che darà il tempo all’orologio.

Attualmente si adoperano due tipi di atomi: quelli di rubidio e quelli di idrogeno. L’orologio al rubidio pesa 3,3 kg e ha un volume di 2 litri. Quello all’idrogeno, chiamato MASER a idrogeno, è più preciso ma è un po’ più grande: pesa 18 kg e occupa un volume di trenta litri. Gli orologi sono un prodotto di alta precisione realizzato dall’Osservatorio Cantonale di Neuchâtel (MASER) e dalla ditta Temex (rubidio), con sede a Neuchâtel, che collabora con ESA dal 1996. L’elettronica degli orologi è curata dall’italiana Officine Galileo (MASER) e dalla tedesca Astrium (rubidio). In futuro, ogni satellite di Galileo alloggerà quattro orologi atomici, due MASER e due al rubidio, che garantiranno in ogni momento e in ogni luogo la massima precisione e affidabilità.

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