Más allá de la atmósfera de nuestro planeta, el sistema de cronometraje que da estructura a la vida se desmorona. Las palabras “día” y “noche” significan algo radicalmente diferente cuando uno completa una órbita alrededor de la Tierra cada 90 minutos, como hacen los astronautas a bordo de la Estación Espacial Internacional (es decir, 16 amaneceres y atardeceres en cada período de 24 horas).
Dado que el cuerpo humano y sus ritmos circadianos (patrones de sueño y vigilia regulados por nuestro reloj interno) evolucionaron aquí en la Tierra, no estamos preparados para ningún otro entorno. En el mundo al revés del tiempo extraterrestre, donde los astronautas no pueden depender del amanecer y el anochecer para mantener su horario habitual, deben seguir un estricto horario de sueño y trabajo. Cualquier desviación de su ciclo natural conduciría rápidamente a Problemas de salud física y mental.
Manteniendo una rutina en el espacio
Una rutina reglamentada mantiene las misiones en marcha, por lo que la vida de un astronauta en el espacio está casi totalmente planificada de antemano. Las actividades en la Estación Espacial Internacional, desde las comidas hasta el ejercicio y el mantenimiento, se programan en incrementos de cinco minutos. Y todo debe estar en perfecta sintonía con los relojes de casa.
“Para hacer lo que necesitas hacer”, dice Todd Ely, ingeniero senior del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, “tienes que ser capaz de decir la hora dondequiera que estés”.
Utilizando relojes atómicos precisos, los astronautas se mantienen sincronizados con Tiempo Universal Coordinado (UTC), el estándar global por el cual se configuran en última instancia todos los relojes.
Por supuesto, La teoría de la relatividad de Einstein afirma que el tiempo es no Universal: Pasa de manera diferente en diferentes condiciones. Si una persona se mueve más rápido que otra, o está más cerca de un objeto masivo, entonces el tiempo pasa más lento para ella. Aunque estos efectos relativistas no son enormes dentro de nuestro sistema solar (y a las velocidades actuales de las naves espaciales), aún deben tenerse en cuenta en los cálculos de tiempo y trayectoria cada vez que nos aventuramos más allá de la órbita baja terrestre.
“Si no tuviéramos en cuenta la relatividad”, afirma Ely, “no obtendríamos la respuesta correcta”.
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Problemas con la lectura del tiempo en el espacio
Cerca de la Tierra, la principal dificultad radica en adaptarse a un entorno que carece de señales temporales familiares. Sin embargo, a medida que uno se aleja, la comunicación con el centro de control de la misión se convierte en un problema mayor.
Los mensajes (en forma de ondas de radio) sólo pueden viajar a la velocidad de la luz, por lo que las noticias procedentes de Houston tardan hasta 14 minutos en llegar a una nave espacial cercana a Marte, por no hablar de regiones más remotas del sistema solar. Ese retraso plantea un serio desafío para las tareas que requieren una sincronización exacta.
Los relojes que utilizamos en la vida cotidiana, la mayoría de los cuales emplean cristales de cuarzo —Funcionan bastante bien para nuestros propósitos, pero son lamentablemente inadecuados para los astronautas porque no miden el tiempo de manera consistente. Incluso los mejores de ellos se desplazan con bastante rapidez.
Según la NASADespués de sólo seis semanas, un reloj de cuarzo podría tener un desfase de un milisegundo. Aunque puede que no parezca mucho, se acumula y puede dar lugar a enormes errores de navegación. Para los viajes espaciales en general, y especialmente a medida que los astronautas comienzan a aventurarse más lejos de la Tierra, necesitan el siguiente paso en la precisión: relojes atómicos.
Relojes atómicos
Todo reloj depende de un mecanismo que mantiene el tiempo estable: un “péndulo”, ya sea literal o figurativamente. En los relojes de cuarzo, ese mecanismo es un cristal que resuena a una frecuencia específica y genera una corriente eléctrica cuando se lo somete a tensión.
Sin embargo, debido a errores de fabricación y factores ambientales, el rendimiento de los cristales se degrada con el tiempo. Los átomos, en cambio, son extraordinariamente estables. Los de un mismo elemento resuenan a la misma frecuencia cuando absorben o liberan energía; son, en efecto, “péndulos” perfectos.
Los relojes atómicos siguen utilizando un cristal de cuarzo, pero comprueban su oscilación comparándola con átomos más constantes. Si la frecuencia del cristal se mantiene en el mismo punto, los átomos pasarán a un estado de mayor energía, como un cantante de ópera que rompe una copa de vino con el tono justo. Si la frecuencia es mínima, se envía una descarga eléctrica al oscilador como señal para ajustar la frecuencia.
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Navegando en el espacio profundo
Usamos relojes atómicos para aplicaciones donde la precisión es lo más importante. Sistema de Posicionamiento Global Por ejemplo, el GPS depende de ellos para rastrear nuestros movimientos de un segundo a otro. Nuestros teléfonos reciben señales de satélites, que vienen con marcas de tiempo obtenidas de relojes atómicos, que luego calculan cuánto tiempo tardaron las señales en llegar hasta nosotros. Con esa información, nuestros teléfonos pueden determinar nuestra posición en la Tierra.
Se aplican principios similares a la navegación en el espacio lejano. Midiendo el tiempo que tardan las ondas de radio en viajar de ida y vuelta entre una nave espacial y otra, los científicos pueden calcular su distancia a la Tierra. Midiendo muchos de estos tiempos de señal bidireccional en secuencia, también pueden determinar su velocidad y trayectoria. Al reunir todos esos datos, la ubicación de un orbitador de Marte se puede determinar con solo unos pocos metros de diferencia.
Incluso después de más de dos décadas en la NASA, Ely dice: “Eso siempre me sorprende”.
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Nueva tecnología para medir la hora en el espacio
Desde principios de la década de 2010, Ely ha estado diseñando el próximo salto en tecnología de navegación: el Reloj Atómico del Espacio Profundo, un dispositivo extremadamente estable que utiliza átomos de mercurio y pesa una fracción de sus homólogos terrestres.
El DSAC funciona tan bien que las naves espaciales pueden calcular su posición y velocidad basándose únicamente en señales unidireccionales provenientes de la Tierra, en lugar de esperar media hora para que se produzca el retraso de comunicación de ida y vuelta. Esto permite una navegación casi en tiempo real, lo que ayuda en maniobras de alto riesgo como el aterrizaje en otro planeta o la entrada en su órbita.
Hasta ahora, el DSAC sólo ha sido Probado experimentalmentePero durante un año de prueba, entre 2019 y 2020, el rendimiento del prototipo fue un orden de magnitud mejor que los relojes espaciales actuales. Pronto podría convertirse en el modelo predeterminado, especialmente a medida que los astronautas comiencen a viajar más allá de nuestra Luna, hacia Marte y tal vez más lejos.
Sin relojes excepcionalmente precisos, afirma Ely, “no seríamos capaces de explorar el sistema solar. No seríamos capaces de llegar a estos destinos de forma fiable”.
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Cody Cottier es un escritor colaborador de Discover a quien le encanta explorar grandes preguntas sobre el universo y nuestro planeta, la naturaleza de la conciencia, las implicaciones éticas de la ciencia y más. Tiene una licenciatura en periodismo y producción de medios de la Universidad Estatal de Washington.