سازمان فضایی ناسا قصد دارد با ارسال یک حسگر کوانتومی به مدار زمین، تغییرات بسیار جزئی در میدان گرانشی زمین را شناسایی کند. این اقدام فراتر از یک پروژه علمی صرف است؛ چراکه می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره منابع پنهان آب، نفت و گاز در زیر سطح زمین ارائه دهد.
معرفی پروژه: گرانش‌سنج کوانتومی (QGGPf)
آغاز برنامه پس از دو دهه برنامه‌ریزی
پروژه «پیش‌نیاز گرانش‌سنج کوانتومی» (Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder) یا به اختصار QGGPf، نتیجه همکاری میان ناسا، آزمایشگاه پیشرانه جت (JPL)، شرکای دانشگاهی و شرکت‌های خصوصی است. هدف این پروژه، اتصال حسگر کوانتومی به یک ماهواره و پرتاب آن تا پایان این دهه است.
نقش کلیدی آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا
جیسون هیون (Jason Hyon)، مدیر فناوری زمین‌شناسی در JPL و مدیر مرکز نوآوری فضایی کوانتومی، نقش کلیدی در این پروژه ایفا می‌کند.
کارکرد حسگر: شناسایی نوسانات پنهان در گرانش
گرانش‌سنج گرادیان چیست؟
گرانش‌سنج گرادیان، ابزاری بسیار حساس است که تغییرات بسیار جزئی در نیروی گرانش را که بر اشیاء وارد می‌شود، شناسایی می‌کند. این تغییرات معمولاً قابل درک با حواس انسانی نیستند، اما می‌توانند اطلاعات دقیقی از ساختارهای زیر سطح زمین یا دریا ارائه دهند.
کاربردهای عملی آن
این داده‌ها می‌توانند به‌ویژه در زمینه‌هایی مانند:
- شناسایی منابع آب زیرزمینی
- بررسی وضعیت صفحات یخی
- شناسایی گسل‌ها و تغییرات پوسته زمین
کاربرد داشته باشند.
چگونه اتم‌ها گرانش زمین را اندازه‌گیری می‌کنند؟
اتم‌هایی در حالت سقوط آزاد
در قلب این مأموریت، اتم‌های روبیدیوم قرار دارند که تا نزدیک صفر مطلق سرد شده‌اند. این اتم‌ها درون دستگاه به حالت سقوط آزاد قرار می‌گیرند و همانند جرم‌های آزمایشی عمل می‌کنند که پاسخشان به گرانش، توسط دستگاه با دقت اندازه‌گیری می‌شود.
اندازه‌گیری تفاوت شتاب دو ابر اتمی
با بررسی تفاوت شتاب بین دو ابر اتمی، تیم پژوهشی می‌تواند تغییرات بسیار ظریف در گرانش را شناسایی کند. این فرآیند در شرایط ریزگرانشی فضا عملکرد بسیار بهتری دارد، زیرا اتم‌ها در فضا زمان بیشتری در حالت سقوط آزاد باقی می‌مانند.
ویژگی‌های فنی دستگاه QGGPf
ماهیت جمع‌وجور و پیشرفته
- اندازه: حدود ۰.۲ متر مکعب
- وزن: حدود ۱۲۵ کیلوگرم
این اندازه باعث می‌شود دستگاه برای پرتاب مناسب باشد و در عین حال قادر باشد سیستم‌های لیزری و خلأ پیشرفته را در خود جای دهد.
دقت بالای دستگاه در شناسایی جزئیات
امکان شناسایی تغییرات گرانشی در مقیاس‌های کوچک‌تر، به شناسایی آبخوان‌های زیرزمینی و مناطق دارای فعالیت‌های زمین‌شناسی خطرناک کمک می‌کند.
«ما می‌توانیم جرم هیمالیا را با استفاده از اتم‌ها تعیین کنیم»، جیسون هیون.
آزمایش و بهینه‌سازی ابزار
نقش شرکت‌های خصوصی و فناوری‌های پیشرفته
دفتر فناوری علوم زمین ناسا از این پروژه حمایت می‌کند. برخی شرکت‌ها وظیفه توسعه سیستم‌های لیزری فشرده برای سردسازی و گیراندازی اتم‌ها را بر عهده دارند. این همکاری میان نهادهای دولتی و خصوصی، نوآوری را تسریع کرده است.
چالش‌های فنی در تنظیم دقیق ابزار
- حفظ ثبات اجزای نوری
- تضمین عملکرد مطلوب محفظه خلأ
- مقابله با لرزش‌های مدار
- محافظت در برابر تغییرات دمایی جزئی که ممکن است باعث اختلال در تراز لیزرها شود
کاربردهای گسترده داده‌های گرانشی
نقشه‌برداری از لایه‌های زیرزمینی
سیستم‌هایی که قادر به شناسایی تفاوت‌های جزئی جرم هستند، می‌توانند به تهیه نقشه‌های چگالی سنگ‌ها یا توزیع آب در زیر سطح زمین کمک کنند.
تشخیص تغییرات در منابع آبی
مقایسه گرانش محلی در بازه‌های زمانی مختلف، می‌تواند به شناسایی پدیده‌هایی مانند ذوب شدن یخچال‌ها یا تخلیه منابع آب زیرزمینی کمک کند.
اهمیت دقت و پایداری در داده‌ها
رفتار موج‌گونه اتم‌ها
لیزرها اتم‌ها را تا جایی خنک می‌کنند که مانند امواج هم‌پوشان عمل می‌کنند. هرگونه لرزش یا عدم‌تراز، می‌تواند بر دقت داده‌ها اثر منفی بگذارد.
کنترل وضعیت فضاپیما
یک سیستم کنترل وضعیت دقیق، دستگاه را در جهت درست نگه می‌دارد تا از تاری در نتایج جلوگیری شود. همچنین، راهکارهایی برای مقابله با تغییرات دمایی و تضمین عملکرد محفظه خلأ نیز در نظر گرفته شده‌اند.
آینده حسگرهای کوانتومی در سیاره‌های دیگر
فراتر از زمین
دانستن دقیق تغییرات گرانشی، فقط برای مدیریت منابع زمینی مهم نیست، بلکه در درک بهتر ساختار پوسته زمین و گسل‌ها هم مؤثر است.
استفاده در سیارات دیگر
نسخه‌هایی از این حسگر می‌توانند در مأموریت‌های آتی برای مطالعه میدان گرانشی سیارات دیگر استفاده شوند.
«ابزار QGGPf به‌زودی کاربردهایی در فیزیک بنیادی و علوم سیاره‌ای خواهد داشت»، جیسون هیون.
تولد نسل جدیدی از حسگرهای کوانتومی
اگر این پروژه موفق شود، درهای تولید ابزارهایی بسیار حساس‌تر باز خواهد شد که قادر به شناسایی نشانه‌های گرانشی بسیار ظریف حتی از منابع کوچک و پنهان خواهند بود.
این تحول می‌تواند به تحول در اکتشافات معدنی، منابع انرژی و حتی درک منشأ سیارات منجر شود. دانشمندان رشته‌های مختلف در انتظار داده‌هایی هستند که بتوانند تصویر دقیق‌تری از ساختار گرانشی زمین ارائه دهند؛ اطلاعاتی که می‌توانند ریسک‌ها و منابع پنهان را آشکار کنند.
