NASA en de Sunnyvale, Het in Californië gevestigde AOSense, Inc., hebben met succes een prototype kwantumsensor gebouwd en gedemonstreerd die in staat is om zeer gevoelige en nauwkeurige zwaartekrachtmetingen te verkrijgen - een opstap naar de volgende generatie geodesie, hydrologie, en klimaatmonitoringsmissies in de ruimte.

De prototypesensor, ontwikkeld in samenwerking met NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, maakt gebruik van een revolutionaire meettechniek genaamd atoominterferometrie, die de voormalige Amerikaanse minister van Energie Steven Chu en zijn collega's eind jaren tachtig uitvonden. In 1997, Chu ontving de Nobelprijs voor de natuurkunde voor zijn werk.

Sinds de ontdekking, onderzoekers over de hele wereld hebben geprobeerd praktische, compact, gevoeligere kwantumsensoren, zoals atoominterferometers, die wetenschappers zouden kunnen gebruiken in gebieden met beperkte ruimte, inclusief ruimtevaartuig.

Met financiering van NASA's Small Business Innovation Research, Instrumenten broedmachine, en Goddard's interne onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma's, het Goddard-AOSense-team ontwikkelde een atoomoptische zwaartekrachtgradiëntmeter, voornamelijk voor het in kaart brengen van het in de tijd variërende zwaartekrachtveld van de aarde. Hoewel het zwaartekrachtveld van de aarde om verschillende redenen verandert, de belangrijkste oorzaak is een verandering in de watermassa. Als een gletsjer of een ijskap smelt, dit zou de massaverdeling beïnvloeden en daarmee het zwaartekrachtveld van de aarde

"Onze sensor is kleiner dan concurrerende sensoren met vergelijkbare gevoeligheidsdoelen, " zei Babak Saif, een Goddard optische fysicus en medewerker in de inspanning. "Eerdere instrumenten op basis van atoominterferometers bevatten componenten die letterlijk een kamer zouden vullen. Onze sensor, in dramatische vergelijking, is compact en efficiënt. Het zou op een ruimtevaartuig kunnen worden gebruikt om een ​​buitengewone dataset te verkrijgen voor het begrijpen van de watercyclus van de aarde en haar reactie op klimaatverandering. In feite, de sensor is een kandidaat voor toekomstige NASA-missies in verschillende wetenschappelijke disciplines."

Atom interferometrie werkt net als optische interferometrie, een 200 jaar oude techniek die in de wetenschap en de industrie wordt gebruikt om kleine verplaatsingen in objecten te meten. Optische interferometrie verkrijgt metingen door licht te vergelijken dat is verdeeld over twee verschillende paden. Als de stralen van deze twee paden weer samenkomen, ze creëren een interferentie-randpatroon dat wetenschappers inspecteren om zeer nauwkeurige metingen te verkrijgen.

Atoom interferometrie, echter, hangt af van de kwantummechanica, de theorie die beschrijft hoe materie zich gedraagt ​​op submicroscopische schaal. Atomen, die zeer gevoelig zijn voor zwaartekrachtsignalen, kan ook worden overgehaald om zich als lichtgolven te gedragen. Speciale pulserende lasers kunnen atoomgolven splitsen en manipuleren om verschillende paden af ​​te leggen. De twee atoomgolven zullen een interactie aangaan met de zwaartekracht op een manier die het interferentiepatroon beïnvloedt dat wordt geproduceerd zodra de twee golven opnieuw combineren. Wetenschappers kunnen dit patroon vervolgens analyseren om een ​​buitengewoon nauwkeurige meting van het zwaartekrachtveld te verkrijgen.

Vooral, het team ziet zijn kwantumsensor als een potentiële technologie om het type gegevens te verzamelen dat momenteel wordt geproduceerd door NASA's vervolgmissie Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). GRACE-FO is een missie met twee satellieten die maandelijkse zwaartekrachtkaarten heeft gegenereerd die laten zien hoe massa wordt verdeeld en hoe deze in de loop van de tijd verandert. Door zijn buitengewone precisie, de kwantumsensor zou de noodzaak van een twee-satellietsysteem kunnen elimineren of zelfs een grotere nauwkeurigheid kunnen bieden als deze wordt ingezet op een tweede satelliet in een complementaire baan, zei Lee Feinberg, een optica-expert van Goddard die ook bij de inspanning betrokken was.

"Met deze nieuwe technologie we kunnen de veranderingen in de zwaartekracht van de aarde meten die afkomstig zijn van smeltende ijskappen, droogte, en het aftappen van ondergrondse watervoorraden, sterk verbeteren van de baanbrekende GRACE-missie, " zei John Mather, een Goddard-wetenschapper en winnaar van de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2006 voor zijn werk aan NASA's Cosmic Background Explorer, dat de oerknaltheorie van het universum hielp versterken.

Het instrument, echter, gebruikt kunnen worden om andere wetenschappelijke vragen te beantwoorden.

"We kunnen de inwendige structuur van planeten meten, manen, asteroïden, en kometen wanneer we sondes sturen om ze te bezoeken. De technologie is zo krachtig dat het zelfs de Nobelprijswinnende metingen van zwaartekrachtsgolven van verre zwarte gaten kan uitbreiden, observeren op een nieuw frequentiebereik, ' zei Mather, verwijzend naar de bevestiging in 2015 van kosmische zwaartekrachtsgolven - letterlijk, rimpelingen in het weefsel van ruimte-tijd die in alle richtingen uitstralen, net als wat er gebeurt als een steen in een vijver wordt gegooid. Sinds die eerste bevestiging, de Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory en de European Virgo-detectoren hebben andere gebeurtenissen gedetecteerd.

Sinds 2004, AOSense heeft kwantumsensoren en atoomklokken ontwikkeld, met brede expertise en capaciteiten die alle aspecten van de ontwikkeling en karakterisering van geavanceerde sensoren voor nauwkeurige navigatie en timing omvatten.