O interferômetro atômico freta o caminho de navegação inercial da Marinha para reduzir a deriva

Jonathan Kwolek, Ph.D., físico pesquisador da Seção de Óptica Quântica do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL), conecta cabos de fibra óptica para fornecer luz ao sistema compacto de distribuição de laser, que é cuidadosamente alinhado em torno de um vácuo personalizado célula no Laboratório de Interferometria Atômica NRL, 2 de novembro de 2023. O aparelho irá gerar um feixe atômico frio e contínuo que será entregue na câmara de vácuo maior para enfrentar os desafios de navegação inercial das embarcações da Marinha. (Foto da Marinha dos EUA por Jonathan Steffen). Crédito:(Marinha dos EUA / Jonathan Steffen)

Pesquisadores do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL) desenvolveram um interferômetro de feixe atômico contínuo resfriado em 3D, com patente pendente, derivado de um feixe frio e contínuo patenteado de átomos para explorar sistemas de medição inercial baseados em interferometria atômica como um caminho para reduzir a deriva na navegação naval sistemas.

A navegação inercial é uma técnica de navegação independente na qual medições fornecidas por acelerômetros e giroscópios são usadas para rastrear a posição e orientação de um objeto em relação a um ponto de partida, orientação e velocidade conhecidos. A navegação inercial quântica é um novo campo de pesquisa e desenvolvimento que pode aumentar a precisão da medição inercial em ordens de magnitude.

"Nosso interferômetro opera em um regime diferente da maioria das outras implementações modernas de um interferômetro atômico", disse Jonathan Kwolek, Ph.D., físico pesquisador da Seção de Óptica Quântica do NRL da Divisão de Ciências Ópticas. "Ao operar com átomos frios e contínuos, abrimos as portas para uma série de vantagens, bem como para novas técnicas de medição. Em última análise, gostaríamos de usar esta tecnologia para melhorar os sistemas de navegação inercial, reduzindo assim a nossa dependência do GPS."

Habilitado pelas propriedades exclusivas da fonte atômica, o interferômetro de feixe atômico contínuo resfriado em 3D exibe características de medição promissoras, como alto contraste de medição, baixo ruído e melhor tratamento de variações no ambiente do sensor. Esta tecnologia tem o potencial de fornecer à Marinha a capacidade de operar em ambientes sem GPS e superar as limitações à precisão do GPS.

Dependendo da plataforma de medição, erros na estimativa de localização se acumularão e resultarão na perda de informações precisas de posição. Os atuais sistemas de navegação inercial disponíveis comercialmente, por exemplo, podem navegar com um acúmulo de erros de aproximadamente 1 milha náutica em 360 horas. O NRL pretende desenvolver novas tecnologias para prolongar esse tempo, de modo que a deriva da navegação não limite a duração da missão.

"O campo da navegação inercial visa fornecer informações de navegação em qualquer lugar onde o GPS não esteja disponível", disse o Diretor Associado de Pesquisa de Sistemas do NRL, Dr. Gerald Borsuk. "O advento da interferometria atômica permite uma nova abordagem na detecção inercial, que tem o potencial de resolver algumas das deficiências nas atuais tecnologias de ponta."

O GPS tornou-se a espinha dorsal da funcionalidade do mundo civil e militar, fornecendo informações distribuídas de posição e tempo de alta precisão em qualquer lugar do mundo. No entanto, existem certos ambientes de espaço de batalha em que o GPS não pode funcionar, como debaixo de água ou no espaço, bem como uma ameaça crescente à disponibilidade do GPS sob a forma de interferência, falsificação ou guerra anti-satélite.

“Em um mundo ideal, nós nos protegemos contra a perda da navegação convencional criando os melhores navegadores inerciais que pudermos”, disse Kwolek. “Isso é para garantir que a perda do GPS não permita que nossos navios se percam no meio do território inimigo.”

Por que usar interferômetros atômicos?

Interferômetros são dispositivos que extraem informações de interferências usando ondas coerentes. Esta classe de dispositivo é amplamente utilizada para medições precisas de deslocamentos, alterações no índice de refração e topologias de superfície. A navegação inercial é usada em uma ampla gama de aplicações, incluindo a navegação de aeronaves, mísseis táticos e estratégicos, espaçonaves, submarinos e navios.

A física atômica oferece um kit de ferramentas exclusivo para medições com extrema precisão. A interferometria atômica é um método da física atômica no qual a interferência quântica de ondas de matéria atômica é usada para medir mudanças extremamente precisas nas condições ambientais, como campos ou forças inerciais.

"Realizar medições inerciais atômicas em oposição a uma medição clássica fornece diferentes dependências de erro", disse Kwolek. "Prevemos que, se feitos com cuidado, os interferômetros atômicos exibirão melhor comportamento e precisão de ruído a longo prazo do que as tecnologias líderes atuais. Traduzido para o mundo da navegação inercial, isso significa manter sua localização fixa por mais tempo, proporcionando mais flexibilidade operacional."

Os interferômetros atômicos também podem ser usados para disciplinar outro sensor, da mesma forma que os relógios são disciplinados para o GPS. Esta combinação de um interferômetro com um cosensor pode permitir que os interferômetros obtenham benefícios em um cenário de medição do mundo real.

“Esta não é de forma alguma uma solução completa”, disse Kwolek. "Existem desvantagens na operação de um interferômetro atômico, por exemplo, a sensibilidade aprimorada se correlaciona com uma faixa dinâmica pior. Estamos explorando vários caminhos para resolver esse problema, incluindo a implementação de cosensores ou técnicas alternativas de átomos frios."

Esta pesquisa em óptica quântica é patrocinada pelo Programa Base NRL e pelo Office of Naval Research.

A Lei de Autorização de Defesa Nacional para o Ano Fiscal de 2024 afirma que a tecnologia quântica está se aproximando de um ponto crítico que determinará a rapidez com que poderá causar impacto. Se os Estados Unidos conseguirem manter o ritmo, muitos resultados importantes para o Departamento de Defesa (DOD) poderão ser alcançados, incluindo posição, navegação e tempo robustos para a liberdade de operações do DOD com ataques de precisão, mesmo com competições no espectro, no espaço ou em operações cibernéticas.

Uma Marinha menos dependente de GPS

A NRL forneceu soluções de navegação para a frota desde a sua criação, mas um avanço ocorreu na década de 1960 com a invenção do GPS.

O NRL lançou o TIMATION I em 31 de maio de 1967 e o TIMATION II em 30 de agosto de 1969. O TIMATION I demonstrou que uma embarcação de superfície pode ser posicionada a dois décimos de milha náutica e uma aeronave a três décimos de milha náutica usando medições de alcance de um satélite sincronizado no tempo.

Embora inicialmente projetado para uso militar, o GPS foi adaptado para necessidades de navegação civil, desde a aviação comercial até dispositivos portáteis e do tipo relógio de pulso. Hoje, o GPS é uma constelação de 32 satélites em órbita terrestre que fornece dados precisos de navegação e cronometragem para usuários finais militares e civis em todo o mundo. Apesar de décadas de desenvolvimento do GPS, os sistemas de navegação inercial otimizados proporcionam à Marinha a capacidade de mitigar o risco de se tornar completamente dependente do GPS.

"Na era moderna, o NRL é uma das várias organizações de pesquisa que abordam os desafios da navegação inercial naval", disse Adam Black, Ph.D., chefe da seção de óptica quântica do NRL. “O laboratório está aproveitando técnicas atômicas e ópticas avançadas para inventar novas arquiteturas para medição inercial que prometem navegação precisa de plataformas dinâmicas da Marinha.”

Fornecido pelo Laboratório de Pesquisa Naval

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