Investigadores del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL) han desarrollado un interferómetro de haz atómico continuo refrigerado en 3D, pendiente de patente, derivado de un haz de átomos frío y continuo patentado para explorar sistemas de medición inercial basados en interferometría atómica como un camino para reducir la deriva en la navegación naval. sistemas.
La navegación inercial es una técnica de navegación autónoma en la que las mediciones proporcionadas por acelerómetros y giroscopios se utilizan para rastrear la posición y orientación de un objeto en relación con un punto de partida, orientación y velocidad conocidos. La navegación inercial cuántica es un nuevo campo de investigación y desarrollo que puede aumentar la precisión de la medición inercial en órdenes de magnitud.
"Nuestro interferómetro opera en un régimen diferente al de la mayoría de las implementaciones modernas de un interferómetro atómico", dijo Jonathan Kwolek, Ph.D., físico investigador de la Sección de Óptica Cuántica del NRL dentro de la División de Ciencias Ópticas. "Al operar con átomos fríos y continuos, hemos abierto la puerta a una serie de ventajas, así como a novedosas técnicas de medición. En última instancia, nos gustaría utilizar esta tecnología para mejorar los sistemas de navegación inercial, reduciendo así nuestra dependencia del GPS". /P>
Habilitado por las propiedades únicas de la fuente atómica, el interferómetro continuo de haz atómico refrigerado en 3D exhibe características de medición prometedoras como alto contraste de medición, bajo ruido y un mejor manejo de las variaciones en el entorno del sensor. Esta tecnología tiene el potencial de brindarle a la Marina la capacidad de operar en entornos sin GPS y superar las limitaciones de la precisión del GPS.
Dependiendo de la plataforma de medición, los errores en la estimación de la ubicación se acumularán y darán como resultado la pérdida de información de posición precisa. Los actuales sistemas de navegación inercial disponibles comercialmente, por ejemplo, pueden navegar con una acumulación de errores de aproximadamente 1 milla náutica en 360 horas. NRL tiene la intención de desarrollar nuevas tecnologías para extender ese tiempo de manera que la deriva de la navegación no limite la duración de la misión.
"El campo de la navegación inercial tiene como objetivo proporcionar información de navegación en cualquier lugar donde el GPS no esté disponible", dijo el Dr. Gerald Borsuk, director asociado de investigación de sistemas del NRL. "La llegada de la interferometría atómica permite un enfoque novedoso en la detección inercial, que tiene el potencial de abordar algunas de las deficiencias de las tecnologías de vanguardia actuales".
El GPS se ha convertido en la columna vertebral de la funcionalidad de nuestro mundo civil y militar, proporcionando información distribuida de posición y sincronización de alta precisión en cualquier parte del mundo. Sin embargo, hay ciertos entornos espaciales de batalla en los que el GPS no puede funcionar, como bajo el agua o en el espacio, así como una amenaza cada vez mayor a la disponibilidad del GPS en forma de interferencias, suplantación de identidad o guerra antisatélite.
"En un mundo ideal, nos protegeremos contra la pérdida de la navegación convencional fabricando los mejores navegantes inerciales que podamos", afirmó Kwolek. "Esto es para garantizar que una pérdida de GPS no permita que nuestros barcos se pierdan en medio del territorio enemigo."
Los interferómetros son dispositivos que extraen información de las interferencias mediante ondas coherentes. Esta clase de dispositivo se utiliza ampliamente para mediciones precisas de desplazamientos, cambios de índice de refracción y topologías de superficies. La navegación inercial se utiliza en una amplia gama de aplicaciones, incluida la navegación de aviones, misiles tácticos y estratégicos, naves espaciales, submarinos y barcos.
La física atómica ofrece un conjunto de herramientas único para medir con extrema precisión. La interferometría atómica es un método dentro de la física atómica en el que la interferencia cuántica de ondas de materia atómica se utiliza para medir cambios extremadamente precisos en las condiciones ambientales, como campos o fuerzas de inercia.
"La realización de mediciones de inercia atómica en lugar de una medición clásica da diferentes dependencias de error", dijo Kwolek. "Predecimos que, si se hacen con cuidado, los interferómetros atómicos mostrarán un mejor comportamiento y precisión del ruido a largo plazo que las tecnologías líderes actuales. Traducido al mundo de la navegación inercial, esto significa mantener su ubicación fija durante más tiempo, lo que proporciona una mayor flexibilidad operativa".
Los interferómetros atómicos también se pueden utilizar para disciplinar otro sensor, de forma muy parecida a cómo se disciplinan los relojes con el GPS. Esta combinación de un interferómetro con un cosensor puede permitir que los interferómetros obtengan beneficios en un escenario de medición del mundo real.
"Esto no es de ninguna manera una solución completa", afirmó Kwolek. "Existen ventajas y desventajas al operar un interferómetro atómico; por ejemplo, la mayor sensibilidad se correlaciona con un peor rango dinámico. Estamos explorando múltiples vías para resolver este problema, incluida la implementación de cosensores o técnicas alternativas de átomo frío".
Esta investigación sobre óptica cuántica está patrocinada por el Programa Base NRL y la Oficina de Investigación Naval.
La Ley de Autorización de Defensa Nacional para el año fiscal 2024 establece que la tecnología cuántica se está acercando a un punto de inflexión que determinará qué tan rápido puede generar un impacto. Si Estados Unidos puede mantener el ritmo, se pueden lograr muchos resultados importantes para el Departamento de Defensa (DOD), incluida una posición, navegación y sincronización sólidas para la libertad de operaciones del DOD con ataques de precisión, incluso con competencias en el espectro, el espacio o las operaciones cibernéticas.
NRL ha brindado soluciones de navegación a la flota desde sus inicios, pero se produjo un gran avance en la década de 1960 con la invención del GPS.
NRL lanzó TIMATION I el 31 de mayo de 1967 y TIMATION II el 30 de agosto de 1969. TIMATION I demostró que un buque de superficie podía posicionarse dentro de dos décimas de milla náutica y un avión dentro de tres décimas de milla náutica. utilizando mediciones de alcance desde un satélite sincronizado en el tiempo.
Si bien inicialmente fue diseñado para uso militar, el GPS se ha adaptado a las necesidades de navegación civil, que van desde la aviación comercial hasta dispositivos portátiles de mano y tipo reloj de pulsera. Hoy en día, el GPS es una constelación de 32 satélites en órbita terrestre que proporcionan datos precisos de navegación y sincronización a usuarios finales militares y civiles de todo el mundo. A pesar de décadas de desarrollo del GPS, los sistemas de navegación inercial optimizados brindan a la Armada la capacidad de mitigar el riesgo de volverse completamente dependiente del GPS.
"En la era moderna, NRL es una de varias organizaciones de investigación que abordan los desafíos de la navegación inercial naval", dijo Adam Black, Ph.D., jefe de la sección de óptica cuántica de NRL. "El laboratorio está aprovechando técnicas atómicas y ópticas avanzadas para inventar nuevas arquitecturas para la medición inercial que prometen una navegación precisa en plataformas dinámicas de la Marina".
Proporcionado por el Laboratorio de Investigación Naval
