El sistema GPS podría ser quizá la mayor infraestructura de la Tierra. Es, en esencia, una red de relojes en el espacio que ofrecen información horaria 24/7, de forma gratuita, a cualquier persona del planeta que quiera escucharla.
Estas señales de sincronización tienen todo tipo de aplicaciones importantes, pero la mayoría de las personas las utilizará para ir de A a B con la ayuda de herramientas de navegación GPS. Bueno, en realidad, con un margen de error de unos 10 metros respecto a B. A la escala de personas y coches, es un margen de error bastante considerable, como puede atestiguar cualquiera que se haya saltado ese giro a la izquierda.
Las tecnologías emergentes, como los coches autónomos, probablemente dependerán de una combinación de detección local y señales GPS para desplazarse de forma independiente y sin incidentes. Por tanto, cualquier mejora en la precisión del GPS sería enormemente ventajosa para acelerar la llegada y el despliegue de la era del automóvil autónomo.
Un receptor GPS escucha y compara las distintas señales de sincronización de los satélites GPS y, a partir de esa información, calcula con exactitud dónde se encuentra en la Tierra.
Son diversos los factores que conspiran contra la precisión de la navegación GPS. Actualmente, para la mayoría de los usuarios civiles, el principal responsable es la ionosfera terrestre, que interfiere en las señales de sincronización cuando viajan desde un satélite hasta el receptor GPS de su elección.
Pero la segunda mayor fuente de error procede de la estabilidad de los relojes a bordo de los satélites GPS.
La sincronización lo es todo
Cada satélite GPS alberga una familia de relojes atómicos (normalmente cuatro) que derivan su tiempo de átomos de cesio (Cs) o de rubidio (Rb).
Lo que realmente se mide en estos relojes es la diferencia de energía entre dos estados atómicos específicos. Cuando un átomo pasa del estado de alta energía al de menor energía, dicha diferencia se emite en forma de luz. La frecuencia, o ritmo de oscilación, de esta luz es lo que contamos y lo que nos permite definir el tiempo. Lo fundamental es que, en esencia, esta diferencia de energía es siempre la misma.
Todos los relojes —sean de pulsera, de pie, atómicos o de otro tipo— presentan cierto grado de error intrínseco que les hace perder segundos o desviarse. Dejados a su aire, los relojes atómicos a bordo de los satélites GPS se desviarían, fluctuarían o retrasarían unos 10 nanosegundos al día.
Puede que no parezca mucho, pero si se multiplica por la velocidad de la luz, el resultado es un error de posición GPS de tres metros.
Afortunadamente, la red GPS está bien monitorizada y se aplican correcciones para mantener los relojes sincronizados, de modo que solo son responsables de un error de posición de entre uno y dos metros.
Se están llevando a cabo numerosos trabajos para mejorar la precisión de la navegación GPS, incluidos distintos métodos de transmisión que pueden eliminar de forma efectiva la influencia de la ionosfera.
Pero, en última instancia, el rendimiento de los relojes es fundamental para el GPS. La tecnología de los relojes avanza constantemente y, con ella, surgen numerosas oportunidades de descubrimiento y aplicación.
Mayor precisión
Aquí, en la University of Western Australia, nuestro grupo de investigación está construyendo un reloj de red óptica basado en átomos de iterbio (Yb).
Además de los átomos de iterbio, también disponemos de un láser ultraestable y de un peine de frecuencias: todos los componentes necesarios para producir un reloj atómico óptico increíblemente preciso.
Este tipo de reloj es actualmente uno de los mejores que se pueden construir, y diseños similares en otros lugares alcanzan precisiones 100.000 veces superiores a las de un reloj de satélite GPS.
Se afirma que su precisión es del orden de 10-18 segundos. Si dos relojes de este tipo hubieran comenzado a funcionar cuando se originó el universo hace 13.800 millones de años, hoy en día coincidirían dentro de 1 segundo.
Una vez completado, el reloj de red será el único de su tipo en el hemisferio sur. Junto con nuestras otras tecnologías de tiempo y frecuencia de vanguardia, formará una estación terrestre en la UWA para participar en experimentos de comparación entre relojes espaciales.
De hecho, necesitamos que este impresionante reloj situado en Australia desempeñe un papel fundamental en un próximo experimento de la Agencia Espacial Europea.
Misiones en el espacio
La misión Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) colocará un tipo diferente de reloj de átomos fríos a bordo de la Estación Espacial Internacional (ISS), uno que es unas 1.000 veces más estable que los relojes atómicos GPS habituales.
La misión ACES tiene previsto su lanzamiento en 2017. Lograr poner este dispositivo en el espacio y hacerlo funcionar en la ISS sin incidentes será en sí mismo un logro bastante significativo. Es un importante peldaño en el camino hacia la creación de futuras redes de relojes espaciales.
Durante unos años, la señal de sincronización producida por el reloj ACES se comparará con distintos tipos de relojes de todo el mundo, incluido el reloj de iterbio en desarrollo en la UWA.
Esto nos permitirá realizar importantes pruebas de física fundamental, como la comprobación del corrimiento gravitacional al rojo y la búsqueda de cambios sutiles en las constantes fundamentales de la naturaleza.
Más allá de las misiones espaciales, aún se pueden hacer numerosas cosas con un reloj de red óptica extremadamente estable y preciso. Por ejemplo, dado que el ritmo de estos relojes depende en gran medida de la intensidad del campo gravitatorio local, dos relojes separados por una diferencia de altura de 30 cm ya funcionan a ritmos notablemente distintos.
Esto podría dar lugar, con el tiempo, a una red de relojes de este tipo que permita cartografiar con precisión el campo gravitatorio terrestre, lo cual podría resultar útil para la exploración de minerales.
Aunque el progreso científico a veces pueda parecer algo lento, es solo cuestión de tiempo que los relojes avanzados se incorporen a los satélites GPS actualizados y ayuden a guiar con precisión su (presumiblemente autónomo) coche aquí, allá y en todas partes.
Este artículo se publica en colaboración con The Conversation. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
Para estar al día de la Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autor: Stephen Parker es investigador asociado en University of Western Australia
Imagen: Un dispositivo de navegación TomTom aparece en esta fotografía de ilustración tomada en Ámsterdam el 28 de febrero de 2012. REUTERS/Robin van Lonkhuysen/United Photos.
