Onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) en ONERA testen een kwantumversnellingsmeter als onderdeel van het Green Quantum-project. Deze technologie zou een revolutie teweeg kunnen brengen in zeer nauwkeurige luchtvaartnavigatie en een oplossing kunnen bieden voor crisissituaties waarin GPS-storing optreedt, aldus DTU in een persbericht.
De quantumsensor gebruikt gekoelde rubidiumatomen in een vacuümcontainer om de zwaartekracht van de aarde en de versnellingen van vliegtuigen te registreren met een laser. Het project is erop gericht om de huidige grote apparatuur te reduceren tot een sensorgebaseerde chiptechnologie ter grootte van een koffiekopje. Toepassingen van deze technologie zijn onder andere het monitoren van klimaatverandering en geodynamische studies, maar ook navigatie in gebouwen, ondergronds en onderzeeërs.
- Een nieuwe quantumtechnologie kan een revolutie teweegbrengen in de luchtvaartnavigatie
- Quantumversnellingsmeters zouden ook nauwkeurige satellietmetingen van klimaatverandering, het smelten van ijs, de wereldwijde stijging van de zeespiegel en overstromingen mogelijk kunnen maken.
Van smartphone-versnellingsmeters tot Quantum-sensoren
De quantumsensor die door onderzoekers van DTU en ONERA wordt getest, lijkt qua concept op de versnellingsmeters in smartphones, maar er is veel meer mogelijk. De sensor maakt gebruik van rubidiumatomen die tot bijna het absolute nulpunt zijn afgekoeld in een vacuümhouder. Terwijl het vliegtuig beweegt, weerkaatsen deze atomen de zwaartekracht van de aarde en de versnellingen van het vliegtuig, die vervolgens met een laser worden geregistreerd.
De apparatuur die nodig is voor de sensor, die zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling bevindt, is omvangrijk, weegt honderden kilo’s en bevat elektronica, lasers en vacuümapparatuur. Het uiteindelijke doel van het ADEQUADE-project, dat wordt gefinancierd door het Europees Defensiefonds (EDF), is echter om deze technologie te verkleinen tot het formaat van een koffiekopje. ADEQUADE is een samenwerking tussen 35 Europese partners, waaronder DTU Space en ONERA.
Testen in IJsland
DTU en ONERA hebben eerder samengewerkt bij het testen van de versnellingsmeter in IJsland en de Golf van Biskaje tussen 2017 en 2019. DTU demonstreerde als eerste quantumsensoren voor het meten van variaties in het zwaartekrachtsveld van de aarde vanuit een vliegtuig, een techniek die bekend staat als quantumgravimetrie. Toepassingen zijn het monitoren van klimaatverandering en toepassing in geodynamische studies, zoals in vulkanische of aardbevingsgebieden.
Testvluchten in Groenland
Tijdens de testvluchten op Groenland hebben onderzoekers en promovendi van DTU de sensor geïnstalleerd in een gyrogestabiliseerd bed, zodat deze constant horizontaal blijft. Nauwkeurige GPS-metingen worden gebruikt om de metingen te corrigeren voor de bewegingen van het vliegtuig. Een commercieel luchtnavigatietoestel geeft een overzicht van de positie van het vliegtuig met een nauwkeurigheid van enkele centimeters, waardoor het zwaartekrachtveld met hoge nauwkeurigheid (10-6 g) kan worden bepaald. De verzamelde gegevens zullen worden gebruikt om de GPS-gebaseerde hoogtemetingen van Groenland en de quantumnavigatiecorrectie te verbeteren.
Bepaalde delen van de testvluchten worden gevlogen zonder het gebruik van normale navigatiesystemen, waarbij er uitsluitend wordt vertrouwd op de sensor. Er worden gegevens verzameld om de nauwkeurigheid van quantumnavigatie te beoordelen in relatie tot de zwaartekrachtkaart en de bewegingen van het vliegtuig.
GPS voorbij
De huidige sensor vertrouwt op een enkele laserbron om de opwaartse en neerwaartse bewegingen van atomen te registreren. Door meerdere lasers te integreren zou het mogelijk worden om een vliegtuig alleen door de sensor te besturen, onafhankelijk van GPS systemen die kwetsbaar zijn voor storing of spoofing. Dit zou kunnen leiden tot mogelijke toepassingen van de navigatietechnologie in gebouwen, ondergrondse omgevingen en zelfs onderzeeërs.
Quantumversnellingsmeters zouden ook nauwkeurige satellietmetingen van klimaatverandering, het smelten van ijs, wereldwijde zeespiegelstijgingen en overstromingen mogelijk kunnen maken door veranderingen in het zwaartekrachtsveld te detecteren. DTU neemt actief deel aan het parallelle EU-project CARIOQA ter voorbereiding op toekomstige Europese quantumsatellietmissietechnologie.