Η NASA ετοιμάζει τον πρώτο κβαντικό αισθητήρα για να μετρήσει τη βαρύτητα από το Διάστημα

Ένα νέο, φιλόδοξο εγχείρημα από τη NASA υπόσχεται να φέρει επανάσταση στον τρόπο που κατανοούμε τον πλανήτη μας: η ανάπτυξη του πρώτου κβαντικού αισθητήρα βαρύτητας για διαστημική χρήση. Το project, το οποίο συντονίζεται από το Jet Propulsion Laboratory (JPL) της NASA σε συνεργασία με πανεπιστήμια και ιδιωτικές εταιρείες, υποστηρίζεται από το Γραφείο Τεχνολογίας Γήινων Επιστημών (ESTO) της NASA και έχει σκοπό να ανοίξει νέους δρόμους στη γεωεπιστημονική έρευνα και τη διαστημική τεχνολογία.

Η σημασία της βαρύτητας και οι αόρατες μεταβολές της

Η βαρύτητα της Γης δεν είναι σταθερή. Καθώς γεωλογικές διεργασίες ανακατανέμουν συνεχώς τη μάζα του πλανήτη — από την κίνηση των τεκτονικών πλακών έως την αλλαγή των υδάτινων αποθεμάτων — το βαρυτικό πεδίο μεταβάλλεται, έστω και ανεπαίσθητα. Αν και οι αλλαγές αυτές δεν είναι αισθητές στην καθημερινότητα, για τους επιστήμονες έχουν τεράστια σημασία. Μέσω πολύ ευαίσθητων εργαλείων όπως οι βαρυτικοί βαθμονομητές (gradiometers), οι μεταβολές αυτές χαρτογραφούνται, αποκαλύπτοντας πολύτιμες πληροφορίες για υπόγεια υδάτινα αποθέματα, μεταλλευτικά κοιτάσματα και γεωλογικά χαρακτηριστικά.

Όπως εξηγεί ο Jason Hyon, επικεφαλής των Γήινων Επιστημών στο JPL και διευθυντής του Quantum Space Innovation Center, το νέο αυτό εργαλείο θα επιτρέπει τον εντοπισμό και την ποσοτικοποίηση της μάζας μεγάλων ορεινών σχηματισμών με ακρίβεια χωρίς προηγούμενο. Το όργανο, ονόματι Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf), παρουσιάστηκε πρόσφατα σε επιστημονικό άρθρο στο περιοδικό EPJ Quantum Technology.

Πώς λειτουργεί ένας κβαντικός βαρυτικός αισθητήρας

Οι βαρυτικοί gradiometers λειτουργούν συγκρίνοντας την επιτάχυνση δύο σωμάτων που πέφτουν ελεύθερα σε κοντινή απόσταση. Η διαφορά στην επιτάχυνση μεταξύ αυτών των μαζών — γνωστές ως “δοκιμαστικές μάζες” — οφείλεται σε διαφορές στη βαρυτική δύναμη μεταξύ των δύο σημείων. Όσο ισχυρότερη η βαρύτητα σε ένα σημείο, τόσο ταχύτερα “πέφτει” η δοκιμαστική μάζα.

Το QGGPf διαφοροποιείται χάρη στη χρήση δύο νεφών υπέρψυχρων ατόμων ρουβιδίου, τα οποία δρουν ως δοκιμαστικές μάζες. Όταν τα άτομα ψυχθούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, αποκτούν κυματικές ιδιότητες. Ο αισθητήρας μετρά τη διαφορά επιτάχυνσης μεταξύ αυτών των κυμάτων ύλης, αποκαλύπτοντας μικροσκοπικές βαρυτικές ανωμαλίες με εξαιρετική ακρίβεια.

Σύμφωνα με τον πειραματικό Φυσικό του JPL, Sheng-wey Chiow, τα άτομα είναι ιδανικές δοκιμαστικές μάζες, καθώς η φύση τους διασφαλίζει σταθερότητα και ακρίβεια στις μετρήσεις. «Με τα άτομα, μπορώ να εγγυηθώ ότι κάθε μέτρηση θα είναι ίδια. Είμαστε πολύ λιγότερο ευάλωτοι σε περιβαλλοντικούς παράγοντες».

Πλεονεκτήματα: Μικρό μέγεθος, μεγάλη ευαισθησία

Ένα ακόμα σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας αυτής είναι η συμπαγής σχεδίαση. Χάρη στη χρήση ατόμων, ο αισθητήρας μπορεί να ενσωματωθεί σε έναν μόνο δορυφόρο, σε αντίθεση με τα παλαιότερα συστήματα που απαιτούσαν συνδυασμούς διαστημικών σκαφών. Το QGGPf θα έχει όγκο μόλις 0,25 κυβικά μέτρα και βάρος περίπου 125 κιλά — χαρακτηριστικά που το καθιστούν ιδανικό για χρήση σε αποστολές μικρού κόστους και μεγάλου εύρους.

Αλλά και σε ό,τι αφορά την ευαισθησία, τα κβαντικά όργανα υπόσχονται έως και δέκα φορές μεγαλύτερη ακρίβεια σε σχέση με τους συμβατικούς βαρυτικούς αισθητήρες. Αυτή η τεχνολογική υπεροχή ενδέχεται να φέρει νέα δεδομένα στη μελέτη της κλιματικής αλλαγής, στη διαχείριση φυσικών πόρων και σε εφαρμογές εθνικής ασφάλειας.

Η προγραμματισμένη αποστολή, που αναμένεται προς το τέλος της δεκαετίας, θα επικεντρωθεί κυρίως στην επικύρωση των νέων τεχνολογιών που επιτρέπουν την ακριβή αλληλεπίδραση φωτός και ύλης σε ατομικό επίπεδο στο Διάστημα.

Συνεργασίες και τεχνολογική καινοτομία

Η επιτυχία του προγράμματος βασίζεται σε ένα ευρύ πλέγμα συνεργασιών μεταξύ της NASA και της ιδιωτικής πρωτοβουλίας. Το JPL συνεργάζεται στενά με τις εταιρείες AOSense και Infleqtion για την ανάπτυξη της «κεφαλής» του αισθητήρα, ενώ το Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA στο Μέριλαντ συνεργάζεται με την Vector Atomic για τη βελτιστοποίηση του οπτικού συστήματος με λέιζερ.

Με την Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder, η NASA δεν αναζητά μόνο μια καλύτερη κατανόηση της βαρύτητας αλλά και μια νέα γενιά διαστημικών τεχνολογιών που αξιοποιούν τις αρχές της κβαντικής φυσικής. Εάν η αποστολή στεφθεί με επιτυχία, θα ανοίξει τον δρόμο για ένα πλήρως επιχειρησιακό δορυφορικό σύστημα με εφαρμογές που εκτείνονται από τη γεωλογία έως την εθνική ασφάλεια — και ενδεχομένως μέχρι την εξερεύνηση άλλων πλανητών.

[via]