Наука и технологии 16 август 2025 г. · 0 коментара
Подробности за следващия полезен товар на космическия самолет са разкрити. Кредит за изображение: Boeing
Енигматичното космическо превозно средство с размер на пинта е на път да се впусне в друга от загадъчните си космически мисии.
Самюъл Лелуш: Американско военно пространство-равнина, орбиталният тест на X-37B, трябва да се впусне в осмия си полет в космоса на 21 август 2025 г. Голяма част от това, което X-37B прави в космоса, е тайна. Но тя служи отчасти като платформа за авангардни експерименти.
Един от тези експерименти е потенциална алтернатива на GPS, която използва квантовата наука като инструмент за навигация: квантов инерционен сензор.
Сателитни системи като GPS са повсеместни в ежедневието ни, от карти на смартфони до авиация и логистика. Но GPS не е наличен навсякъде. Тази технология би могла да направи революция как космическите кораби, самолетите, корабите и подводниците се движат в среда, в която GPS не е наличен или компрометиран.
В космоса, особено извън земната орбита, GPS сигналите стават ненадеждни или просто изчезват. Същото се прилага под вода, където подводниците изобщо не могат да имат достъп до GPS. И дори на Земята GPS сигналите могат да бъдат задръстени (блокирани), измамени (правейки GPS приемник, смятат, че е на друго място) или инвалиди – например по време на конфликт.
Това прави навигацията без GPS критично предизвикателство. В такива сценарии наличието на навигационни системи, които функционират независимо от всякакви външни сигнали, става от съществено значение.
Традиционните инерционни навигационни системи (INS), които използват акселерометри и жироскопи за измерване на ускорението и въртенето на превозното средство, осигуряват независима навигация, тъй като те могат да оценят позицията, като проследяват как превозното средство се движи във времето. Помислете да седите в кола със затворени очи: все още можете да усещате завои, спирки и ускорения, които мозъкът ви интегрира, за да гадае къде се намирате във времето.
В крайна сметка, без визуални сигнали, малките грешки ще се натрупат и ще загубите изцяло позиционирането си. Същото важи и при класическите инерционни навигационни системи: С натрупването на малки грешки в измерването те постепенно се отклоняват от курса и се нуждаят от корекции от GPS или други външни сигнали.
Където Quantum помага
Ако мислите за квантовата физика, това, което може да ви дойде на ума, е странен свят, в който частиците се държат като вълни, а котката на Шроджингер е мъртва и жива. Тези мисловни експерименти наистина описват как се държат мънички частици като атоми.
При много ниски температури атомите се подчиняват на правилата на квантовата механика: те се държат като вълни и могат да съществуват едновременно в множество състояния – две свойства, които се намират в сърцето на квантовите инерционни сензори.
Квантовият инерционен сензор на борда на X-37B използва техника, наречена атомна интерферометрия, при която атомите се охлаждат до температурата на почти абсолютна нула, така че те се държат като вълни. Използвайки фино настроени лазери, всеки атом се разделя на това, което се нарича състояние на суперпозиция, подобно на котката на Шродингер, така че той едновременно пътува по две пътеки, които след това се рекомбинират.
Тъй като атомът се държи като вълна в квантовата механика, тези два пътя пречат един на друг, създавайки модел, подобен на припокриващите се пулсации по вода. Кодиран в този модел е подробна информация за това как средата на атома е повлияла на пътуването му. По -специално, най -малките измествания в движение, като завъртане на сензора или ускорения, оставят откриваеми марки на тези атомни „вълни“.
В сравнение с класическите инерционни навигационни системи, квантовите сензори предлагат порядъци по -голяма чувствителност. Тъй като атомите са идентични и не се променят, за разлика от механичните компоненти или електрониката, те са далеч по -малко предразположени към отклонение или пристрастие. Резултатът е дълго време и навигация с висока точност без нужда от външни референции.
Предстоящата мисия X-37B ще бъде първият път, когато това ниво на квантова инерционна навигация се тества в космоса. Предишните мисии, като лабораторията на студения атом на НАСА и Maius-1 на германската космическа агенция, са прелетяли интерферометри на атома в орбита или подкорбитални полети и успешно демонстрират физиката зад интерферометрията на атома в космоса, макар и не конкретно за навигационни цели.
За разлика от това, експериментът X-37B е проектиран като компактен, високоефективен, издръжлив инерционен навигационен блок за реални, дълготрайни мисии. Той премества атомната интерферометрия от сферите на чистата наука и в практическо приложение за аерокосмическото пространство. Това е голям скок.
Това има важни последици както за военните, така и за гражданските космически походи. За космическата сила на САЩ тя представлява стъпка към по -голяма оперативна устойчивост, особено в сценарии, при които GPS може да бъде отказан. За бъдещото космическо проучване, като на Луната, Марс или дори дълбокото пространство, където автономията е ключова, квантовата навигационна система може да послужи не само като надеждно резервно копие, но дори като основна система, когато сигналите от Земята не са налични.
Квантовата навигация е само една част от настоящата, по-широка вълна от квантови технологии, преминаващи от лабораторни изследвания в реални приложения. Докато квантовите изчисления и квантовата комуникация често крадат заглавия, системи като квантови часовници и квантови сензори вероятно ще бъдат първите, които виждат широко използване.
Страните, включително САЩ, Китай и Обединеното кралство, инвестират силно в квантово инерционно сензор, като последните тестове за въздух и подводници показват силно обещание. През 2024 г. Boeing и Aosense проведоха първия в света тест за квантово навигация по време на полет на полет на борда на екипаж.
Това демонстрира непрекъсната навигация без GPS за около четири часа. Същата година Обединеното кралство проведе първия си публично признат тест за квантов навигационен полет на търговски самолет.
Това лято мисията X-37B ще внесе тези аванси в космоса. Поради военния си характер тестът може да остане тих и непубликуван. Но ако успее, това може да се помни, тъй като в момента, в който космическата навигация направи квантов скок напред.
Самуел Лелуш, асистент по цифрови побратими, Училище по физика и астрономия,
Тази статия е преиздадена от
Прочетете
Източник: Разговорът | Коментари (0)