Espoon Otaniemen atomikellot ylläpitävät Suomen virallista aikaa – osa kelloista alkaa olla iäkkäitä ja varaosien saaminen on epävarmaa
Erikoistutkija Anders Wallin avaa jykevän oven kellarikerroksessa sijaitsevaan aikalaboratorioon. Olemme Espoon Otaniemessä tilassa, jonka lämpötila ja kosteus ovat tarkasti säädeltyjä. Huone on suojattu sähkömagneettiselta säteilyltä, sillä esimerkiksi lähistöllä liikennöivä metro saattaisi häiritä olosuhteita.
Laboratoriossa toimii kolme äärimmäisen tarkkaa atomikelloa, joiden avulla ylläpidetään Suomen virallista aikaa.
Suomen kansallisen ajan ylläpitäminen kuuluu VTT MIKESin eli Teknologian tutkimuskeskus VTT:n yhteydessä toimivan kansallisen metrologialaitoksen tehtäviin.
Aikalaboratorion kellot ovat mikroaaltoalueella toimivia kaupallisia vetymaser-kelloja. Uusin niistä on sveitsiläinen, ja se toiminee ongelmitta vielä kymmenisen vuotta. Kaksi vanhempaa kelloa alkaa kuitenkin tulla elinkaarensa loppuun, ja niiden toimintavarmuus alkaa vähitellen heikentyä.
Lisäksi vanhemmat kellot ovat venäläistä alkuperää, mikä nykytilanteessa vaikeuttaa laitteiden huoltoa. Periaatteessa kyseiset kellot eivät kaipaa huoltoa ollenkaan, mutta laitteiden ikääntyessä tarvetta voi tulla.
– Meillä ja monessa muussa paikassa on ollut venäläisiä kelloja. Maailmantilanteen takia tietysti tällä hetkellä on hyvin hankalaa saada varaosia tai huoltoa niille. Se on nyt ajankohtainen huolenaihe monella, erikoistutkija Anders Wallin VTT MIKESistä sanoo.
Atomikellon hinta on 400 000 euron luokkaa
Maallikon korviin Suomen virallista aikaa mittaavat atomikellot ovat edelleen äärimmäisen tarkkoja.
Kellojen heitto on kuukausittaisessa seurannassa laskennalliseen maailmanaikaan verrattuna tätä nykyä tyypillisesti 10–20 nanosekuntia eli sekunnin miljardisosaa. Kellojen virhettä korjataan säännöllisesti.
Vanhoja kelloja aiotaan käyttää niin pitkään kuin ne toimivat ja niitä saadaan huollettua.
VTT MIKESin johtajan Martti Heinosen mukaan lähiaikoina tarvittaisiin kuitenkin ainakin yksi uusi kello, jotta käytössä olisi koko ajan vähintään kolme varmuudella toimivaa laitetta.
Uuden atomikellon mahdollisia valmistajia ei ole tarjolla liiemmälti.
– Tällaisten kellojen valmistajia ei ole maailmassa kovin monta. Niin kuin voi arvata, ne ovat haastavia rakentaa. Hintaluokassa puhutaan 400 000 eurosta. Sveitsissä ja Kanadassa on sellaiset valmistajat, joita voimme tässä nyt harkita, Martti Heinonen sanoo.
Atomikellon hankinta on prosessi, johon kuluu Heinosen mukaan ainakin kaksi vuotta aikaa.
Rahoitusta kellohankintaan on lupailtu valtiovarainministeriön ensi vuoden budjettiesityksessä tässä vaiheessa 100 000 euroa. Valtion budjetin yksityiskohdat ratkeavat lähiaikoina.
Huipputarkalle ajan mittaamiselle on kasvava tarve
Erittäin tarkalle ajalle on kasvava tarve. Sitä tarvitaan esimerkiksi 5G-tietoliikenneverkkoja, sähköverkkoja ja pörssitoimintaa varten.
Otaniemen atomikellojen tuottamasta äärimmäisen tarkasta taajuusreferenssistä on hyötyä myös huipputeknologian kehitystyössä, kuten mittalaitteiden kehittämisessä.
– Teollisuudelle on tärkeätä saada se kaikkein tarkin referenssi, jotta suomalainen huipputeknologian teollisuus pystyy kehittymään, Martti Heinonen sanoo.
Se, että Suomella on kyky ajan tarkkaan mittaamiseen, on Heinosen mukaan myös huoltovarmuuden kannalta tärkeää.
– Jos käy niin, että meidän yhteytemme katkeavat ulospäin, meillä on silti se toiminta olemassa.
Suomi osallistuu omien atomikellojensa avulla osaltaan myös maailmanajan ylläpitämiseen, niin kuin noin 80–90 metrologian laboratoriota eri puolilta maailmaa.
Otaniemessä kehitetään maailman tarkimpiin kuuluvaa optista atomikelloa
Nykyisen kaltaisilla kaupallisilla atomikelloilla on jatkossakin merkittävä osa Suomen ajan ylläpidossa.
VTT MIKES on kuitenkin kehittämässä myös uuden sukupolven optista atomikelloa. Otaniemessä tehdään jatkuvaa kehitystyötä, jotta se saataisiin yhä tarkemmaksi ja toiminnaltaan automaattisemmaksi.
Optisen atomikellon avulla aikaa voidaan mitata vielä huomattavasti tarkemmin kuin nykyisillä kaupallisilla atomikelloilla.
– Jos näissä vanhoissa kelloissa ammutaan mikroaalloilla kuumia atomeja, niin kaikissa uusissa kelloissa ammutaan laservaloa kylmiin atomeihin. Kun käytetään laservaloa, sen taajuus on noin 10 000 kertaa isompi, Anders Wallin kertoo.
Kaupallisella atomikellolla sekunti pystytään mittaamaan tyypillisesti 14–15 desimaalin tarkkuudella. Uudenlaisen, optisen atomikellon tarkkuus on jo nyt 17 desimaalia. Käynnissä olevien parannustöiden jälkeen VTT MIKESin optisessa atomikellossa tavoite on 18 desimaalin tarkkuus. Sillä tarkkuudella toimivia optisia atomikelloja on maailmassa vain kymmenkunta.
Vastaavankaltaisia optisia kelloja kehitetään muuallakin maailmassa, ja kehitystyössä tehdään tiivistä kansainvälistä yhteistyötä. VTT MIKES osallistunee uudella huipputarkalla kellolla tulevaisuudessa myös sekunnin uudelleen määrittämiseen, joka tapahtuu arviolta 2030-luvulla.
Nykyistä yhä tarkempi ajan mittaaminen hyödyttää muun muassa tutkimusta ja teknologian kehitystä.
– Pystytään tutkimaan uusia ilmiöitä, ihan perusfysiikan olettamuksia ja malleja pystytään testaamaan. Se on myös vankka perusta perusmetrologiatoiminnalle, Anders Wallin sanoo.