How a miniaturized atomic clock could revolutionize space exploration | Jill Seubert

98,641 views ・ 2020-04-06

TED


Dubbelklik op de Engelse ondertitels hieronder om de video af te spelen.

00:00
Transcriber: Joseph Geni Reviewer: Camille Martínez
0
0
7000
Vertaald door: Rik Delaet Nagekeken door: Peter van de Ven
00:12
Six months ago,
1
12765
1664
Zes maanden geleden
00:14
I watched with bated breath
2
14453
3198
zag ik met ingehouden adem
00:17
as NASA's InSight lander descended towards the surface of Mars.
3
17675
4234
NASA's InSight-lander afdalen naar het oppervlak van Mars.
00:22
Two hundred meters,
4
22437
1658
200 meter,
00:24
80 meters,
5
24119
1329
80 meter,
00:25
60, 40, 20, 17 meters.
6
25472
3947
60, 40, 20, 17 meter.
00:29
Receiving confirmation of successful touchdown
7
29808
3454
De bevestiging van een dergelijke succesvolle landing ontvangen
00:33
was one of the most ecstatic moments of my life.
8
33286
3141
was een van de meest extatische ogenblikken in mijn leven.
00:37
And hearing that news was possible because of two small cube sets
9
37294
5636
Dat nieuws horen was mogelijk gemaakt door twee kleine kubusjes
00:42
that went along to Mars with InSight.
10
42954
2517
die meegingen naar Mars met de InSight.
00:46
Those two cube sets essentially livestreamed InSight's telemetry
11
46453
5302
Die twee kubusjes livestreamden de telemetrie van InSight
00:51
back to Earth,
12
51779
1265
terug naar de Aarde,
00:53
so that we could watch in near-real time
13
53068
2740
zodat we in bijna real time konden toekijken
00:55
as that InSight lander went screaming towards the surface of the red planet,
14
55832
4271
hoe die InSight-lander
brullend het oppervlak van de rode planeet naderde
01:00
hitting the atmosphere of Mars
15
60738
1779
en de atmosfeer van Mars raakte
01:02
at a top speed of about 12,000 miles per hour.
16
62541
3845
met een topsnelheid van zo'n 18.000 km/u.
01:06
Now, that event was livestreamed to us
17
66804
2996
Die gebeurtenis werd naar ons gelivestreamd
01:09
from over 90 million miles away.
18
69824
2703
van meer dan 140 miljoen kilometer van hier.
01:13
It was livestreamed from Mars.
19
73064
2641
Gelivestreamd van Mars.
01:17
Meanwhile,
20
77484
1582
Ondertussen waren er de twee Voyager ruimtetuigen --
01:19
the two Voyager spacecraft --
21
79090
1898
01:21
now, these are these two almost unbelievably intrepid explorers.
22
81012
4786
bijna ongelooflijk onverschrokken ontdekkers.
01:25
They were launched
23
85822
1176
Ze waren gelanceerd
01:27
the same year that all of us here were being introduced to Han Solo
24
87022
3736
in hetzelfde jaar dat wij kennismaakten met Han Solo
01:30
for the first time.
25
90782
1320
voor de eerste keer.
01:32
And they are still sending back data from interstellar space
26
92610
3768
En ze sturen nog altijd data terug vanuit de interstellaire ruimte,
01:36
over 40 years later.
27
96402
2105
al 40 jaar lang.
01:40
We are sending more spacecraft further into deep space
28
100292
3206
We sturen meer ruimtetuigen dieper de ruimte in
01:43
than ever before.
29
103522
1422
dan ooit tevoren.
01:45
But every one of those spacecraft out there
30
105647
3006
Maar elk van die voertuigen
01:48
depends on its navigation being performed
31
108677
2525
is afhankelijk van de navigatie
01:51
right here at Earth
32
111226
1895
vanaf de Aarde
01:53
to tell it where it is and, far more importantly,
33
113145
2837
om te vertellen waar het is en, nog belangrijker,
01:56
where it is going.
34
116006
1369
waar het naartoe gaat.
01:57
And we have to do that navigation here on Earth for one simple reason:
35
117846
4352
We moeten die navigatie vanaf de Aarde uitvoeren om één enkele eenvoudige reden:
02:02
spacecraft are really bad at telling the time.
36
122222
3104
ruimtetuigen kunnen heel slecht de tijd bijhouden.
02:06
But if we can change that,
37
126261
2008
Maar als we dat kunnen veranderen,
02:08
we can revolutionize the way we explore deep space.
38
128293
3304
kunnen we de manier waarop we de ruimte ontdekken revolutioneren.
02:12
Now, I am a deep space navigator,
39
132448
2441
Ik ben ruimte-navigator
02:14
and I know you're probably thinking, "What is that job?"
40
134913
2650
en nu denken jullie waarschijnlijk: wat is dat voor beroep?
02:17
Well, it is an extremely unique and also very fun job.
41
137587
3965
Wel, het is een erg uniek en tegelijkertijd erg leuk beroep.
02:21
I steer spacecraft,
42
141576
1929
Ik bestuur ruimtetuigen
02:23
from the moment they separate from their launch vehicle
43
143529
2648
van het moment dat ze zich losmaken van hun lanceervaartuig
02:26
to when they reach their destination in space.
44
146201
2345
totdat ze hun bestemming in de ruimte bereiken.
02:28
And these destinations -- say Mars for example, or Jupiter --
45
148955
3292
En deze bestemmingen -- zoals Mars of Jupiter --
02:32
they are really far away.
46
152271
1929
zijn echt ver weg.
02:34
To put my job in context for you:
47
154734
2450
Om het een beetje duidelijk te maken:
02:37
it's like me standing here in Los Angeles and shooting an arrow,
48
157208
5014
het is alsof ik hier in Los Angeles sta en een pijl afschiet,
02:42
and with that arrow, I hit a target that's the size of a quarter,
49
162246
4707
en met die pijl een doelwit ter grootte van een kwartje raak
02:46
and that target the size of a quarter is sitting in Times Square, New York.
50
166977
4675
en dat dat kwartje zich ergens op Times Square in New York bevindt.
02:52
Now, I have the opportunity to adjust the course of my spacecraft
51
172295
3846
Nu kan ik mijn ruimtetuig
02:56
a few times along that trajectory,
52
176165
2325
onderweg wel enkele keren bijsturen,
02:58
but in order to do that, I need to know where it is.
53
178514
3283
maar daarvoor moet ik weten waar het zich bevindt.
03:02
And tracking a spacecraft as it travels through deep space
54
182852
3150
En een ruimtetuig volgen op zijn reis door de ruimte
03:06
is fundamentally a problem of measuring time.
55
186026
3337
komt fundamenteel neer op het meten van tijd.
03:09
You see, I can't just pull out my ruler and measure how far away my spacecraft is.
56
189387
4240
Met mijn meetlat meten hoe ver weg het ruimtetuig is, gaat niet.
03:14
But I can measure
57
194075
1217
Maar ik kan meten
03:15
how long it takes a signal to get there and back again.
58
195316
3573
hoe lang het duurt om er een signaal heen en terug te sturen.
03:19
And the concept is exactly the same as an echo.
59
199762
3330
Het is eigenlijk net zoiets als een echo.
03:23
If I stand in front of a mountain and I shout,
60
203116
3373
Stel ik roep tegen een berg.
03:26
the longer it takes for me to hear my echo back at me,
61
206513
3627
Hoe langer het duurt voor ik de echo hoor,
03:30
the further away that mountain is.
62
210164
2598
des te verder de berg van mij verwijderd is.
03:32
So we measure that signal time very, very accurately,
63
212786
4606
We meten die signaaltijd zeer, zeer nauwkeurig,
03:38
because getting it wrong by just a tiny fraction of a second
64
218296
4555
omdat een fout van slechts een kleine fractie van een seconde
03:42
might mean the difference between your spacecraft safely and gently landing
65
222875
4124
het verschil kan maken tussen een veilige en zachte landing
op het oppervlak van een andere planeet
03:47
on the surface of another planet
66
227023
1938
03:48
or creating yet another crater on that surface.
67
228985
3128
of een krater bijmaken op dat oppervlak.
03:52
Just a tiny fraction of a second,
68
232690
1590
Een fractie van een seconde
03:54
and it can be the difference between a mission's life or death.
69
234304
3849
kan het verschil maken tussen leven en dood voor die missie.
03:59
So we measure that signal time very, very accurately here on Earth,
70
239161
4179
Dus meten we die signaaltijd zeer, zeer nauwkeurig hier op Aarde,
04:03
down to better than one-billionth of a second.
71
243364
2813
tot op beter dan één miljardste van een seconde.
04:06
But it has to be measured here on Earth.
72
246823
2127
Maar het moet hier op Aarde gemeten worden.
04:09
There's this great imbalance of scale when it comes to deep space exploration.
73
249371
4822
Je hebt dat enorme onevenwicht van schaal als het gaat over ruimte-exploratie.
04:15
Historically, we have been able to send smallish things extremely far away,
74
255051
6627
We konden erg kleine dingen erg ver weg sturen
04:21
thanks to very large things here on our home planet.
75
261702
2812
dankzij erg grote dingen hier op onze thuisplaneet.
04:24
As an example, this is the size of a satellite dish
76
264905
2935
Als voorbeeld: dit is de grootte van een satellietschotel
04:27
that we use to talk to these spacecraft in deep space.
77
267864
3224
waarmee we praten met deze voertuigen in de verre ruimte.
04:31
And the atomic clocks that we use for navigation are also large.
78
271112
3896
En de atoomklokken voor het navigeren zijn ook groot.
04:35
The clocks and all of their supporting hardware
79
275032
2418
De klokken en hun ondersteunende hardware
04:37
can be up to the size of a refrigerator.
80
277474
2439
hebben al gauw de grootte van een koelkast.
04:40
Now, if we even want to talk about sending that capability into deep space,
81
280643
5052
Als we die mogelijkheden in de diepe ruimte willen,
04:45
that refrigerator needs to shrink down
82
285719
1900
dan moet die koelkast inkrimpen
04:47
into something that can fit inside the produce drawer.
83
287643
2966
tot iets dat in een lade past.
04:51
So why does this matter?
84
291331
1936
Waarom is dat van belang?
04:53
Well, let's revisit one of our intrepid explorers, Voyager 1.
85
293878
4002
Laat ons eens terugkijken
naar een van onze onverschrokken ontdekkers, Voyager 1.
04:59
Voyager 1 is just over 13 billion miles away right now.
86
299157
4307
Voyager 1 is nu zo'n 20 miljard kilometer van ons vandaan.
05:03
As you know, it took over 40 years to get there,
87
303873
2698
Jullie weten dat het 40 jaar duurde om daar te geraken
05:06
and it takes a signal traveling at the speed of light over 40 hours
88
306595
5217
en dat een lichtsignaal meer dan 40 uur nodig heeft
05:11
to get there and back again.
89
311836
1744
om daarheen en terug te geraken.
05:14
And here's the thing about these spacecraft:
90
314158
2800
En dan bewegen die voertuigen
05:16
they move really fast.
91
316982
2098
ook nog eens zeer snel.
05:19
And Voyager 1 doesn't stop and wait for us to send directions from Earth.
92
319570
4985
Voyager 1 stopt en wacht niet op onze instructies vanaf de Aarde.
05:24
Voyager 1 keeps moving.
93
324579
1828
Voyager 1 blijft doorgaan.
05:26
In that 40 hours that we are waiting
94
326802
2311
In die 40 uur dat wij zitten wachten
05:29
to hear that echo signal here on the Earth,
95
329137
2563
op het echosignaal hier op Aarde,
05:31
Voyager 1 has moved on by about 1.5 million miles.
96
331724
4206
is Voyager 1 zo'n 2,4 miljoen kilometer verder.
05:36
It's 1.5 million miles further into largely uncharted territory.
97
336344
4636
2,4 miljoen kilometer verder in onbekend gebied.
05:41
So it would be great
98
341687
1544
Het zou dus geweldig zijn
05:43
if we could measure that signal time directly at the spacecraft.
99
343255
3207
als we die signaaltijd op het ruimtetuig zelf konden meten.
05:47
But the miniaturization of atomic clock technology is ...
100
347851
3549
Maar de miniaturisatie van atoomklok-technologie is ...
05:51
well, it's difficult.
101
351424
1594
nu ja, moeilijk.
05:53
Not only does the clock technology and all the supporting hardware
102
353543
3248
Niet alleen moeten de kloktechnologie en de ondersteunende hardware inkrimpen,
05:56
need to shrink down,
103
356815
1837
05:58
but you also need to make it work.
104
358676
2544
maar ze moeten het ook nog doen werken.
06:02
Space is an exceptionally harsh environment,
105
362328
3131
De ruimte is een uitzonderlijk harde omgeving,
06:05
and if one piece breaks on this instrument,
106
365483
2374
en als er iets stukgaat aan dit instrument,
06:07
it's not like we can just send a technician out to replace the piece
107
367881
3231
kunnen we er niet even een technicus heen sturen om het te vervangen
06:11
and continue on our way.
108
371136
1534
en onze weg verderzetten.
06:13
The journeys that these spacecraft take can last months, years,
109
373627
5641
De reizen van deze ruimtetuigen kunnen maanden, jaren duren,
06:19
even decades.
110
379292
1704
zelfs tientallen jaren.
06:21
And designing and building a precision instrument that can support that
111
381586
4811
En het ontwerpen en bouwen van een precisie-instrument dat dat aankan,
06:26
is as much an art as it is a science and an engineering.
112
386421
4107
is evenzeer kunst als wetenschap en techniek.
06:32
But there is good news: we are making some amazing progress,
113
392131
3191
Maar er is goed nieuws: we maken verbazende vooruitgang
06:36
and we're about to take our very first baby steps
114
396274
3416
en we gaan onze eerste babystapjes zetten
06:39
into a new age of atomic space clocks.
115
399714
3010
naar het nieuwe tijdperk van atomaire ruimteklokken.
06:43
Soon we will be launching
116
403540
1668
Binnenkort gaan we een ion-gebaseerde atoomklok lanceren,
06:45
an ion-based atomic clock that is space-suitable.
117
405232
3340
eentje geschikt voor de ruimte.
06:48
And this clock has the potential to completely flip the way we navigate.
118
408596
3846
Die klok gaat de manier waarop we navigeren op zijn kop zetten.
06:52
This clock is so stable,
119
412466
1895
De klok is zo stabiel,
06:54
it measures time so well,
120
414385
1544
ze meet de tijd zo goed
06:55
that if I put it right here and I turned it on,
121
415953
2986
dat als ik ze hier zou aanzetten,
06:58
and I walked away,
122
418963
1702
zou weggaan
07:00
I would have to come back nine million years later
123
420689
3173
en na negen miljoen jaar zou terugkomen,
07:03
for that clock's measurement to be off by one second.
124
423886
2804
de klok een afwijking van één seconde zou hebben.
07:07
So what can we do with a clock like this?
125
427555
2405
Wat kunnen we nu met een dergelijke klok?
07:09
Well, instead of doing all of the spacecraft navigation
126
429984
3531
Wat als we, in plaats van alle navigatie
07:13
here on the Earth,
127
433539
1160
vanaf de Aarde te doen,
07:14
what if we let the spacecraft navigate themselves?
128
434723
2513
het ruimtetuig nu eens zelf zouden laten navigeren?
07:17
Onboard autonomous navigation, or a self-driving spacecraft, if you will,
129
437260
4611
Autonome navigatie aan boord of een zelfsturend ruimtetuig, zeg maar,
07:21
is one of the top technologies needed
130
441895
2049
is een van de nodige technologieën
07:23
if we are going to survive in deep space.
131
443968
2479
als we willen overleven in de diepe ruimte.
07:27
When we inevitably send humans to Mars or even further,
132
447343
3397
Als we onvermijdelijk mensen naar Mars of zelfs verder willen sturen,
07:30
we need to be navigating that ship in real time,
133
450764
2525
moeten we dat schip in real time navigeren
07:33
not waiting for directions to come from Earth.
134
453313
2376
en niet wachten op directies vanaf de Aarde.
07:36
And measuring that time wrong by just a tiny fraction of a second
135
456412
3345
De tijd fout meten met slechts een fractie van een seconde
07:39
can mean the difference between a mission's life or death,
136
459781
3096
kan het verschil tussen leven en dood betekenen,
07:42
which is bad enough for a robotic mission,
137
462901
3015
wat al erg is voor een robotische missie,
07:45
but just think about the consequences if there was a human crew on board.
138
465940
3809
maar denk aan de gevolgen als er mensen aan boord zijn.
07:50
But let's assume that we can get our astronauts
139
470451
2232
Maar laten we aannemen dat we onze astronauten
07:52
safely to the surface of their destination.
140
472707
2033
veilig ter bestemming afleveren.
07:54
Once they're there, I imagine they'd like a way to find their way around.
141
474764
3578
Eens daar, veronderstel ik dat ze er de weg willen vinden.
07:58
Well, with this clock technology,
142
478366
2023
Met deze kloktechnologie
08:00
we can now build GPS-like navigation systems
143
480413
3572
kunnen we gps-achtige navigatiesystemen bouwen
08:04
at other planets and moons.
144
484009
2167
op andere planeten en manen.
08:06
Imagine having GPS on the Moon or Mars.
145
486200
3093
Beeld je in dat je gps hebt op de Maan of op Mars.
08:09
Can you see an astronaut standing on the surface of Mars
146
489317
3285
Kan je je al een astronaut indenken staande op het oppervlak van Mars
08:12
with Olympus Mons rising in the background,
147
492626
2750
met Olympus Mons opdoemend op de achtergrond
08:15
and she's looking down at her Google Maps Mars Edition
148
495400
3687
en ze kijkt op haar uitgave van Google Maps Mars
08:19
to see where she is
149
499111
1529
om te zien waar ze is
08:20
and to chart a course to get where she needs to go?
150
500664
2832
en om een route uit te zetten naar haar bestemming.
08:24
Allow me to dream for a moment,
151
504022
1507
Laat me even dromen
08:25
and let's talk about something far, far in the future,
152
505553
2779
en praten over iets in de verre, verre toekomst,
08:28
when we are sending humans to places much further away than Mars,
153
508356
4060
wanneer we mensen gaan sturen
naar plaatsen veel verder weg dan Mars,
08:32
places where waiting for a signal from the Earth in order to navigate
154
512440
4613
plaatsen waar wachten op een signaal van de Aarde om te navigeren
08:37
is just not realistic.
155
517077
1540
niet langer realistisch zijn.
08:39
Imagine in this scenario that we can have a constellation,
156
519032
3474
Beeld je in dit scenario in dat we een constellatie hebben,
08:42
a network of communication satellites scattered throughout deep space
157
522530
4568
een netwerk van communicatiesatellieten verspreid over de diepe ruimte
08:47
broadcasting navigation signals,
158
527122
2434
die navigatiesignalen uitzenden.
08:49
and any spacecraft picking up that signal
159
529580
2719
Elk ruimtetuig dat dat signaal kan oppikken,
08:52
can travel from destination to destination to destination
160
532323
3371
kan reizen van bestemming naar bestemming naar bestemming
08:55
with no direct tie to the Earth at all.
161
535718
2668
zonder enig rechtstreeks contact met de Aarde.
08:59
The ability to accurately measure time in deep space
162
539981
3493
De mogelijkheid om nauwkeurig tijd te kunnen meten in de diepe ruimte
09:03
can forever change the way we navigate.
163
543498
2384
kan de manier waarop we navigeren voor altijd veranderen.
09:06
But it also has the potential to give us some pretty cool science.
164
546644
3211
Maar het kan ons ook een hoop coole wetenschap opleveren.
09:09
You see, that same signal that we use for navigation
165
549879
3206
Want het signaal dat we gebruiken voor navigatie
09:13
tells us something about where it came from
166
553109
2987
vertelt ons iets over waar het vandaan kwam
09:16
and the journey that it took as it traveled from antenna to antenna.
167
556120
3869
en de weg die het volgde op zijn reis van antenne naar antenne.
09:20
And that journey, that gives us data, data to build better models,
168
560693
4330
Die reis geeft ons data om betere modellen te bouwen,
09:25
better models of planetary atmospheres throughout our solar system.
169
565047
4598
betere modellen van planetaire atmosferen doorheen ons zonnestelsel.
09:30
We can detect subsurface oceans on far-off icy moons,
170
570169
4661
We kunnen oceanen onder het ijs op verafgelegen bevroren manen ontdekken,
09:34
maybe even detect tiny ripples in space due to relativistic gravity.
171
574854
4416
misschien zelfs ruimterimpels door relativistische zwaartekracht detecteren.
09:40
Onboard autonomous navigation means we can support more spacecraft,
172
580224
4673
Met autonome navigatie aan boord kunnen we meer ruimtetuigen onderhouden,
09:44
more sensors to explore the universe,
173
584921
2558
meer sensors om het universum te onderzoeken
09:47
and it also frees up navigators -- people like me --
174
587503
3988
en het geeft ook navigators -- mensen als ik -- de handen vrij
09:51
to work on finding the answers to other questions.
175
591515
2920
om te werken aan de antwoorden op andere vragen.
09:55
And we still have a lot of questions to answer.
176
595855
3407
En we hebben nogal wat vragen te beantwoorden.
10:00
We know such precious little about this universe around us.
177
600014
3966
We weten nog zo weinig over dat universum rondom ons.
10:05
In recent years, we have discovered nearly 3,000 planetary systems
178
605376
4741
In de laatste jaren hebben we ongeveer 3.000 nieuwe planetaire systemen ontdekt
10:10
outside of our own solar system,
179
610141
2248
buiten ons eigen zonnestelsel
10:12
and those systems are home to almost 4,000 exoplanets.
180
612763
4205
en die systemen zijn de thuis van bijna 4.000 exoplaneten.
10:16
To put that number in context for you:
181
616992
1963
Om dat aantal een beetje te verduidelijken:
10:18
when I was learning about planets for the first time as a child,
182
618979
3137
toen ik als kind voor het eerst over planeten hoorde,
10:22
there were nine,
183
622140
1853
waren er negen,
10:24
or eight if you didn't count Pluto.
184
624017
2053
of acht, als je Pluto niet meetelt.
10:26
But now there are 4,000.
185
626094
2139
Nu zijn er 4.000.
10:29
It is estimated that dark matter
186
629312
2261
Men schat dat donkere materie
10:31
makes up about 96 percent of our universe,
187
631597
3536
96% uitmaakt van ons universum
10:35
and we don't even know what it is.
188
635157
2369
en we weten niet eens wat het is.
10:38
All of the science returned
189
638034
2885
De hele wetenschap
10:40
from all of our deep space missions combined
190
640943
2953
uit al onze diepe ruimtemissies bij elkaar
10:43
is just this single drop of knowledge
191
643920
3654
is maar een druppeltje kennis
10:47
in a vast ocean of questions.
192
647598
2694
in een uitgebreide oceaan van vragen.
10:50
And if we want to learn more,
193
650919
2593
Als we meer willen leren,
10:53
to discover more, to understand more,
194
653536
2347
meer ontdekken, meer begrijpen
10:56
then we need to explore more.
195
656955
1979
dan moeten we meer onderzoeken.
De mogelijkheid om de tijd nauwkeurig bij te houden in de diepe ruimte
11:00
The ability to accurately keep time in deep space
196
660096
3162
11:03
will revolutionize the way that we can explore this universe,
197
663282
4145
zal de manier waarop we de ruimte verkennen grondig veranderen
11:07
and it might just be one of the keys to unlocking some of those secrets
198
667451
3860
en zou een van de sleutels kunnen zijn om de geheimen te ontsluiten
11:11
that she holds so dear.
199
671335
1716
waar ze zo aan vasthoudt.
11:14
Thank you.
200
674051
1275
Dank.
11:15
(Applause)
201
675350
2385
(Applaus)
Over deze website

Deze site laat u kennismaken met YouTube-video's die nuttig zijn om Engels te leren. U ziet Engelse lessen gegeven door topdocenten uit de hele wereld. Dubbelklik op de Engelse ondertitels op elke videopagina om de video af te spelen. De ondertitels scrollen synchroon met het afspelen van de video. Heeft u opmerkingen of verzoeken, neem dan contact met ons op via dit contactformulier.

https://forms.gle/WvT1wiN1qDtmnspy7