Наблюдения за Землей являются одной из наиболее важных функций нашего нынешнего парка спутников. Обычно каждый спутник специализируется на одном виде дистанционного зондирования — например, на мониторинге уровня океана или на наблюдении за развитием и движением облаков. В первую очередь это связано с ограничениями их датчиков, особенно радара. Тем не менее, новый тип датчика, находящийся в стадии разработки, может изменить правила игры в дистанционном зондировании Земли, и недавно он получил грант Института перспективных концепций НАСА (NIAC) на дальнейшее развитие.
Эта новая сенсорная технология известна как датчик Ридберга и использует квантовую теорию для одновременного обнаружения широкого диапазона радиолокационных сигналов. Грант достался Дарминдре Арумугам из Лаборатории реактивного движения НАСА, которая специализируется на дистанционном зондировании и много лет работает с этой технологией. Так почему же датчики Ридберга такие особенные?
В типичном приложении дистанционного зондирования на спутнике запускается датчик, который очень хорошо обнаруживает определенную частоту света. С точки зрения радара, они разбиты на несколько разных «диапазонов», каждый из которых охватывает от нескольких мегагерц до нескольких гигагерц. Некоторые из них более знакомы, чем другие, например, УВЧ (сверхвысокая частота — 300–1000 МГц), но некоторые более эзотеричны, например, Ku-диапазон 12–18 ГГц.
Кредит – ЕЭК штата Северная Каролина.
Каждый из этих диапазонов хорош для мониторинга одной конкретной системы на Земле. Например, НАСА использует УКВ (30–300 МГц) для изучения томографии Земли, а УВЧ-диапазон — для изучения снега и осадков. Однако для обнаружения каждой из этих частот потребуется собственная специально разработанная антенна, поэтому любая система, которая попытается иметь возможности обнаружения в широком диапазоне частот и, таким образом, контролировать широкий спектр различных систем, будет становиться все более и более дорогой. по мере добавления в систему дополнительных диапазонов.
Именно здесь на помощь приходят датчики Ридберга. Это новый тип датчиков, который использует квантовое состояние отдельного атома для обнаружения широкого диапазона различных электромагнитных волн. Например, один датчик Ридберга может обнаруживать сигналы от HF-диапазона вплоть до Ka-диапазона на более быстром конце спектра радара. Это позволит спутнику с одним датчиком контролировать все различные системы, которые радар может обнаружить удаленно.
Объяснение функционирования датчика Ридберга требует относительно полного понимания квантовой механики. Датчики Ридберга названы в честь квантового состояния, известного как состояние Ридберга, которое чрезвычайно чувствительно к окружающей среде. Чтобы достичь состояния Ридберга, инженерам приходится уничтожить с помощью лазера один атом рубидия или цезия, чтобы он вырос до чрезвычайно большого состояния – почти до размера бактерии. Затем они оптически отслеживают изменения в атоме, на которые влияют сигналы в ранее упомянутых радиолокационных диапазонах. Затем вспомогательная оптическая система анализирует изменения в атоме и может соотнести эти изменения с изменениями сигнала в определенном диапазоне частот.
Уже было продемонстрировано несколько доказательств концепций, например, предоставленных Национальными институтами стандартов и технологий. Но их еще предстоит применить в космосе – и именно здесь начинаются исследования доктора Арумугама. Его проект, финансируемый NIAC, заключается в разработке датчика Ридберга, который можно запустить на спутнике и обнаружить широкий диапазон радиолокационных сигналов, в том числе которые контролируют криосферу, где на суше присутствуют лед и снег. С помощью одного датчика Ридберга доктор Арумугам надеется собрать все данные для получения полной картины того, как с течением времени изменяются ледники, таяние снега и ледяной покров Земли.
До этого еще далеко, поскольку полеты в космос не слишком щадящие, и до сих пор было показано, что датчики Ридберга работают только в лаборатории. Но, учитывая, что этой технологии всего десять лет, существует много потенциальных возможностей для ее улучшения, и именно для этого и предназначены гранты NIAC. Как говорит доктор Арумугам в конце описания своего предложения, эта технология «[has great] потенциально вызвать интерес в НАСА, общественности и промышленности…» Если это сработает так, как ожидают теоретики, он окажется прав.
Узнать больше:
Дарминдра Арумугам – Крисоферный радар Ридберга
UT – Картирование лавовых трубок на Луне и Марсе из космоса
UT – Спутниковые изображения могут помочь предсказать, когда подводные вулканы вот-вот начнут извергаться
UT – Спутники могут отслеживать микропластик из космоса
Ведущее изображение:
Графическое изображение радаров зондирования Ридберга.
Кредит – Дарминдра Арумугам.
