ناسا درحال توسعه پیشرفته‌ترین حسگر کوانتومی فضایی تاریخ است که می‌تواند کوچک‌ترین نوسانات گرانشی زمین را با دقتی بی‌سابقه اندازه‌گیری کند. این فناوری انقلابی که بر پایه استفاده از اتم‌های فوق‌سرد طراحی شده، می‌تواند از فضا حرکت آب‌های زیرزمینی، فعالیت‌های تکتونیکی و حتی ذخایر معدنی را شناسایی و ردیابی کند.
به گزارش سایت اسپیس، دانشمندان درحال توسعه حسگر کوانتومی پیشرفته‌ای برای مدار ارتفاع کم زمین هستند که می‌تواند کوچک‌ترین لرزش‌ها را در میدان گرانشی زمین تشخیص دهد. این لرزش‌های خفیف که ناشی از جابه‌جایی آب، فعالیت‌های تکتونیکی یا حرکت سنگ‌ها هستند، سرنخ‌هایی درباره ساختار زیرسطحی زمین به دانشمندان ارائه می‌دهند.
این حسگر که QGGPf (نمونه اولیه گرادیومتر گرانشی کوانتومی) نامیده می‌شود، در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL) و با همکاری شرکت‌های خصوصی و نهادهای دانشگاهی توسعه یافته است. به گفته توسعه‌دهندگان این فناوری، QGGPf می‌تواند از ساختارهای زیر سطح زمین مانند سفره‌های آب زیرزمینی و ذخایر معدنی نقشه‌برداری کرده و داده‌هایی حیاتی برای ناوبری، مدیریت منابع و امنیت ملی جمع کند. «جیسون هیون»، مدیر ارشد فناوری علوم زمین در JPL، در بیانیه‌ای گفت:
«می‌توانیم جرم [دقیق] رشته‌کوه هیمالیا را با استفاده از اتم‌ها اندازه‌گیری کنیم.»
به گفته JPL، حسگر QGGPf از ۲ ابر اتم روبیدیوم فوق‌سرد به‌عنوان جرم‌های آزمایشی استفاده می‌کند. رفتار این اتم‌ها که به دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد شده‌اند، شبیه امواج است. گرادیومتر گرانشی کوانتومی با اندازه‌گیری تفاوت شتاب بین این امواج ماده، ناهنجاری‌های گرانشی را شناسایی می‌کند.
به‌طور کلی، گرادیومترهای گرانشی، مانند QGGPf، سرعت سقوط جسمی را در مکانی با سرعت سقوط جسمی که در فاصله کمی از آن قرار دارد مقایسه می‌کنند. تفاوت در شتاب بین این ۲ جسم درحال سقوط آزاد که جرم‌های آزمایشی شناخته می‌شوند، با اختلاف شدت گرانش مرتبط است. جرم‌های آزمایشی در مکانی که گرانش قوی‌تر دارد، سریع‌تر سقوط می‌کنند.
در QGGPf نیز ابرهای اتمی در شرایط سقوط آزاد رها شده و تا دمایی نزدیک به صفر مطلق سرد می‌شوند. در این شرایط، با استفاده از لیزرها که مانند آینه و جداکننده عمل می‌کنند، اتم‌ها از یکدیگر جدا شده سپس دوباره به هم می‌پیوندند. سپس دانشمندان با بررسی نحوه تداخل اتم‌ها در لحظه ترکیب مجدد، میزان شتاب گرانشی تأثیرگذار بر اتم‌ها را اندازه‌گیری می‌کنند. این فرایند به دانشمندان امکان می‌دهد کوچک‌ترین تغییرات گرانشی را با دقتی بسیار بالا اندازه‌گیری کنند.
ابزارهای پیشرفته QGGPf بر پایه روشی به نام «تداخل‌سنجی اتمی» ساخته شده‌اند و بسیار حساس‌تر از ابزارهای سنتی هستند. درحال‌حاضر، پژوهشگران درحال بهینه‌سازی این فناوری هستند تا آن را دقیق‌تر و مقاوم‌تر کنند. به گفته «شن-وی چیو»، فیزیک‌دان تجربی در JPL:
«با استفاده از اتم‌ها، می‌توانم تضمین کنم هر اندازه‌گیری دقیقاً مانند دفعات قبل خواهد بود. ما نسبت به تأثیرات محیطی حساسیت کمتری داریم.»
به بیان ساده‌تر، استفاده از اتم‌ها در این حسگر باعث می‌شود نتایج اندازه‌گیری در هر بار تکرار، کاملاً یکسان و قابل‌اطمینان باشد. در واقع در شرایط کنترل‌شده‌ای مانند سقوط آزاد و دمای نزدیک به صفر مطلق، اتم‌ها کمتر تحت‌تأثیر عوامل محیطی مانند لرزش، تغییرات دما یا نویزهای مکانیکی قرار می‌گیرند؛ در نتیجه، حسگر باوجود حساسیت بسیار بالا به تغییرات میدان گرانشی، در برابر اختلالات محیطی مقاوم‌تر عمل می‌کند و داده‌هایی با دقت و پایداری بیشتر ارائه می‌دهد.
ازآنجایی‌که حسگر QGGPf به‌جای اجزای مکانیکی حجیم، از اتم‌ها استفاده می‌کند، ابعاد آن کوچک است (تقریباً به اندازه یک ماشین لباسشویی کوچک) و فقط ۱۲۵ کیلوگرم وزن دارد. این مسئله باعث می‌شود QGGPf بسیار کوچک‌تر و سبک‌تر از ابزارهای گرانش‌سنج سنتی فضایی باشد و برای مأموریت‌هایی که فضا، وزن و هزینه پرتاب بسیار محدودند، گزینه مناسبی باشد.
ناسا قصد دارد اواخر همین دهه میلادی، حسگر QGGPf را در فضا آزمایش کند. در این مأموریت نمایشی، مجموعه‌ای از ابزارهای نوآورانه آزمایش خواهند شد و نحوه تعامل نور و اتم‌ها را در کوچک‌ترین مقیاس‌ها بررسی خواهند کرد. «بن استری»، پژوهشگر پسادکتری در JPL، می‌گوید:
«تاکنون هیچ‌کس تلاش نکرده یکی از این ابزارها را به فضا بفرستد. باید آن را پرتاب کنیم تا بفهمیم تا چه اندازه خوب کار می‌کند و این به ما کمک می‌کند [توسعه] گرادیومتر کوانتومی گرانشی را پیش ببریم و برای توسعه کلی فناوری کوانتومی نیز مفید خواهد کرد.»
همچنین بخوانید: دولت ترامپ شاید بودجه علمی ناسا را تا 50 درصد کاهش دهد!
