Il nuovo dispositivo compatto progettato e costruito presso Sandia National Laboratories potrebbe diventare un componente fondamentale dei sistemi di navigazione di prossima generazione. La camera con tecnologia del vuoto delle dimensioni di un avocado per oltre un anno ha contenuto una nuvola di atomi nelle giuste condizioni per precise misurazioni di navigazione.
Sandia National Laboratories sono due grandi laboratori dell’United States Department of Energy, si occupano di questioni di sicurezza nazionale per conto della National Nuclear Security Administration. Il loro obiettivo principale è sviluppare e testare le componenti non nucleari delle armi nucleari.
Peter Schwindt, scienziato dei Sandia National Laboratories, ha affermato:
«Il dispositivo è il primo ad essere molto piccolo, efficiente dal punto di vista energetico e abbastanza affidabile da spostare potenzialmente i sensori quantistici, sensori che utilizzano la meccanica quantistica per superare le tecnologie convenzionali dal laboratorio all’uso commerciale».
Sandia National Laboratories, ha sviluppato la camera con tecnologia del vuoto come tecnologia di base per i futuri sistemi di navigazione che non si basano sui satelliti GPS, il dispositivo è stato descritto nella rivista AVS Quantum Science.
Innumerevoli dispositivi in tutto il mondo per l’orientamento utilizzano il GPS . È possibile perché gli orologi atomici (sono i più accurati strumenti di misurazione del tempo che abbiamo a disposizione: registrano il numero delle oscillazioni degli elettroni di atomi puri, attraversati da radiazione elettromagnetica a una frequenza specifica), mantengono la rete di satelliti perfettamente sincronizzata.
I segnali GPS possono essere disturbati o falsificati, potenzialmente disabilitando i sistemi di navigazione sui veicoli commerciali e militari, quindi, i futuri veicoli invece di fare affidamento sui satelliti, potrebbero tenere traccia della propria posizione, utilizzando accurati dispositivi di bordo come gli orologi atomici, questi misurando l’accelerazione e la rotazione, innescano fasci laser per attivare piccole nuvole di gas di rubidio (è un metallo alcalino color argento con un punto di fusione leggermente superiore alla temperatura corporea), come quelle racchiuse nel dispositivo di Sandia National Laboratories.
La chiave della compattezza per le applicazioni del mondo reale
Esistono già accelerometri e giroscopi atomici, ma sono troppo ingombranti e assetati di energia per essere utilizzati nel sistema di navigazione di un aereo, questo perché hanno bisogno di un grande sistema con tecnologia del vuoto per funzionare, un sistema che ha bisogno di migliaia di volt di elettricità.
Bethany Little, scienziata del team di ricerca, ha detto:
«I sensori quantistici sono un settore in crescita, ci sono molte applicazioni che si possono dimostrare in laboratorio, ma quando ci si sposta nel mondo reale ci sono molti problemi da risolvere, tra questi rendere il sensore compatto e robusto. La fisica si svolge tutta in un centimetro cubo di volume, quindi qualsiasi cosa più grande di così è spazio sprecato. Il mio team ha dimostrato che il rilevamento quantistico può funzionare senza un sistema con tecnologia del vuoto ad alta potenza, questo riduce il tutto a una dimensione pratica senza sacrificare l’affidabilità».
Il dispositivo invece di una pompa a vuoto alimentata, che spazza via le molecole che si infiltrano e rovinano le misure, ha un paio di elementi chiamati getter (è un componente utilizzato nella tecnologia del vuoto per prevenire la persistenza di gas residui allo stato libero dove è necessario mantenere uno stato di vuoto, quali ad esempio i tubi catodici dei televisori), usano reazioni chimiche per legare gli intrusi. I getter hanno la dimensione di una gomma per matita in modo che possano essere infilati all’interno di due tubi stretti che fuoriescono dal contenitore in titanio. Funzionano anche senza una fonte di alimentazione.
Peter Schwindt, per tenere ulteriormente fuori i contaminanti, ha collaborato con gli scienziati dei materiali del Sandia National Laboratories, per costruire la camera in titanio e zaffiro, questi materiali sono particolarmente efficaci a bloccare i gas come l’elio, che possono passare attraverso l’acciaio inossidabile e il vetro Pyrex. Il finanziamento è stato fornito dal programma di ricerca e sviluppo diretto da Sandia National Laboratories.
La progettazione del dispositivo ha richiesto sofisticate tecniche di fabbricazione che Sandia National Laboratories ha affinato per legare materiali avanzati per componenti di armi nucleari. E come un’arma nucleare, la camera di titanio per anni deve funzionare in modo affidabile.
Il team di ricercatori di Sandia National Laboratories continuerà a monitorare il dispositivo. L’obiettivo è quello di tenerlo sigillato e operativo per cinque anni, una pietra miliare importante per dimostrare che la tecnologia è pronta per essere messa in campo, nel frattempo, stanno esplorando metodi per ottimizzare la produzione.
