Ερευνητές από την Κίνα παρουσίασαν πρόσφατα έναν ανιχνευτή βαρύτητας με παγκοσμίως κορυφαία ακρίβεια, ο οποίος ενδέχεται να διευρύνει τις στρατιωτικές εφαρμογές της τεχνολογίας. Το όργανο αυτό χρησιμοποιεί μια συσκευή υπεραγώγιμης κβαντικής παρεμβολής (SQUID) για τον εντοπισμό αντικειμένων, μετρώντας ανεπαίσθητες μεταβολές στη βαρύτητα.
Η ομάδα που ανέπτυξε το όργανο δηλώνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για επιστημονική έρευνα και την εύρεση υπόγειων πόρων, όσο και για να φέρει τη χώρα ένα βήμα πιο κοντά στην ικανότητα εντοπισμού πυρηνικών υποβρυχίων. Σύμφωνα με αναφορά στον ιστότοπο της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (CAS), το όργανο μειώνει τον θόρυβο των μετρήσεων κλίσης βαρύτητας – εξωτερικές επιδράσεις που μπορούν να διαταράξουν την ακρίβεια ενός ανιχνευτή βαρύτητας, όπως οι δονήσεις από σεισμική δραστηριότητα – σε ένα επίπεδο που υστερεί μόνο έναντι ανιχνευτών βαρυτικών κυμάτων μεγάλης κλίμακας, χιλιομέτρων.
Συγκριτικά, ο ανιχνευτής Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory στις Ηνωμένες Πολιτείες, που χρησιμοποιεί καθρέφτες σε απόσταση 4 χιλιομέτρων (2,5 μιλίων) για τη μελέτη του σύμπαντος, είναι αντίστοιχος. Το όργανο που κατασκευάστηκε από την ομάδα της CAS έχει μέγεθος ενός μικρού γραφείου.
Οι υπάρχουσες μέθοδοι εντοπισμού υποβρυχίων, όπως το σόναρ, η ανίχνευση μαγνητικής ανωμαλίας και το ραντάρ, μπορούν να αποφευχθούν. Ωστόσο, η βαρύτητα δεν μπορεί να καλυφθεί. Προηγούμενες έρευνες έχουν δείξει ότι ο εντοπισμός υποβρυχίων κλάσης Ohio του Πολεμικού Ναυτικού των ΗΠΑ μέσω της βαρύτητας είναι εφικτός. Παρόλο που το νέο όργανο της CAS δεν έχει ακόμη φτάσει στο επίπεδο ευαισθησίας που εκτιμήθηκε ότι θα ήταν απαραίτητο για τον εντοπισμό υποβρυχίων, αποτελεί ένα βήμα προς αυτήν την κατεύθυνση.
Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι οι εικόνες που συνοδεύουν την αναφορά δείχνουν το όργανο να μην έχει τοποθετηθεί σε ένα άκρως ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον, υποδηλώνοντας την πρακτική του χρήση σε “κανονικά περιβάλλοντα”, όπως περιγράφουν οι ερευνητές.
Το πρόγραμμα, γνωστό ως “μέτρηση ασθενούς δύναμης με υπεραγωγιμότητα”, αξιοποιεί έξυπνα το φαινόμενο Meissner: όταν ένας υπεραγωγός ψύχεται κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία, απωθεί τα μαγνητικά πεδία και, κατά συνέπεια, απωθεί κοντινούς μαγνήτες. Χρησιμοποιώντας αυτό, οι επιστήμονες αναρτούν ένα αντικείμενο γνωστής μάζας εντός ενός μαγνητικού πεδίου, εξαλείφοντας κάθε τριβή.
Το σύστημα βασίζεται επίσης στο SQUID, τον πιο ευαίσθητο τύπο μαγνητικού αισθητήρα στον κόσμο. Όταν μια εξωτερική δύναμη, όπως η βαρύτητα, κινεί το αντικείμενο που έχει αναρτηθεί, το SQUID μετρά με ακρίβεια το παραγόμενο ηλεκτρικό σήμα. Με απλά λόγια, η υπεραγώγιμη ανάρτηση καθιστά το αναρτημένο αντικείμενο εξαιρετικά ευαίσθητο σε οποιαδήποτε εξωτερική δύναμη. Στη συνέχεια, το SQUID μετρά τις μικροσκοπικές κινήσεις που προκαλούνται από αυτή τη δύναμη, επιτρέποντας στους επιστήμονες να υπολογίσουν την έντασή της. Συγκρίνοντας τη βαρυτική έλξη σε πολλά αντικείμενα που τοποθετούνται σε μια καθορισμένη απόσταση, μπορούν να δημιουργήσουν έναν λεπτομερή χάρτη του βαρυτικού πεδίου. Αυτός ο χάρτης μπορεί να αναλυθεί για τον εντοπισμό αντικειμένων.
Η ομάδα του Κέντρου Πειραματικής Βαρυτικών Κυμάτων του Ινστιτούτου Μηχανικής της CAS έχει αφιερώσει χρόνια στη βελτίωση της τεχνολογίας. Το πιο πρόσφατο όργανο, που αποτελεί την τρίτη γενιά του έργου, χρησιμοποιεί τέσσερα αναρτημένα αντικείμενα και διαφορικές μετρήσεις για την καταστολή του περιβαλλοντικού θορύβου. Αυτό επιλύει τους συμβιβασμούς που έπρεπε να γίνουν σε προηγούμενες γενιές μεταξύ ευαισθησίας και προσαρμοστικότητας, επιτρέποντας μετρήσεις εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης ακόμα και σε ένα “κανονικό” περιβάλλον.
Ειδικοί από ιδρύματα όπως το Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, το National Institute of Metrology, η China Shipbuilding Industry Corporation και το Tsinghua University αξιολόγησαν το σύστημα επιτόπου. Τα αποτελέσματα κατατάσσουν το όργανο ως “το καλύτερο στον κόσμο”, όπως αναφέρεται στην έκθεση της CAS.
“Αυτό το επίτευγμα θα παρέχει ένα νέο πειραματικό εργαλείο για την έρευνα στους τομείς της αστροφυσικής και της φυσικής, όπως η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, ενώ παράλληλα θα προσφέρει οφέλη για τη γεωφυσική εξερεύνηση, την υδρολογική παρακολούθηση και τη γεωλογική έρευνα”, προσθέτει η αναφορά.
Η Κίνα έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στη μέτρηση της βαρύτητας. Στα τέλη του 2019, εκτοξεύτηκε ο δορυφόρος Tianqin-1 για τη συλλογή δεδομένων του παγκόσμιου βαρυτικού πεδίου, καθιστώντας την Κίνα την τρίτη χώρα – μετά τις ΗΠΑ και τη Γερμανία – ικανή να διεξάγει ανεξάρτητα τέτοιες μετρήσεις. Το ευρύτερο πρόγραμμα Tianqin σχεδιάζει να αναπτύξει ένα διαστημικό παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων που θα αποτελείται από τρεις δορυφόρους σε τροχιά γύρω από τη Γη περίπου μέχρι το 2035.
Ένας επίγειος ανιχνευτής βαρύτητας που αναπτύχθηκε ανεξάρτητα από το Changsha Quantum Measurement Industry Technology Research Institute στα τέλη του περασμένου έτους μπορεί να μετρήσει την επιφανειακή βαρύτητα στην όγδοη δεκαδική θέση, πληρώντας τα υψηλότερα διεθνή πρότυπα.
Μια μελέτη του 2019 από ερευνητές του Wuhan University, της China Shipbuilding Industry Corporation και της PLA Army Special Operations Academy προσομοίωσε ένα υποβρύχιο κλάσης Ohio, μερικά από τα οποία φέρουν πυρηνικές κεφαλές των ΗΠΑ. Η μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι αερομεταφερόμενοι βαρυτόμετρα με ακρίβεια 0,01 exavolts (E) ανά τετραγωνική ρίζα hertz σε ένα hertz θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν ένα υποβρύχιο σε βάθος 220 μέτρων.
Με ακρίβεια 0,02 E, το σύστημα του οργάνου της CAS πλησιάζει αυτό το όριο. Παρόλα αυτά, παραμένουν σημαντικά πρακτικά εμπόδια πριν από τη χρήση του για τον εντοπισμό υποβρυχίων. Μια πρόκληση είναι η μεταφορά του υπεραγώγιμου συστήματος εκτός εργαστηρίου και η σταθερή του τοποθέτηση σε ένα αεροσκάφος ή ένα πλοίο, με την απαραίτητη αντιστάθμιση κίνησης. Ενώ υπάρχουν ήδη αερομεταφερόμενοι ανιχνευτές βαρύτητας, κανένας δεν χρησιμοποιείται για εργασίες που απαιτούν το επίπεδο ευαισθησίας που χρειάζεται για την εύρεση ενός υποβρυχίου.
Ένα άλλο πρακτικό πρόβλημα είναι η δυνατότητα αναγνώρισης μιας συγκεκριμένης μέτρησης βαρύτητας ως υποβρυχίου. Αυτό θα μπορούσε να απαιτήσει προκαταρκτική σάρωση τμημάτων του ωκεανού για τη δημιουργία μιας βάσης δεδομένων υποβάθρου. Ένα άλλο ζήτημα είναι η εμβέλεια. Η μελέτη του 2019 πρότεινε ότι για την ανίχνευση υποβρυχίων και την αντιστοίχιση της εμβέλειας των σύγχρονων μαγνητικών θαλάσσιων οργάνων ανίχνευσης, ένας ανιχνευτής βαρύτητας θα χρειαζόταν ευαισθησία 0,0001 E.
