A compact low-frequency optomechanical triaxial inertial sensor

في همهمة المختبر الهادئة، غالبًا ما يحاول العلماء سماع أخف همسات الكون. وللقيام بذلك، يبنون أدوات يمكنها اكتشاف أدق الحركات، من الانزياح البطيء للصفائح التكتونية إلى الجذب الخفيف لموجة جاذبية عابرة. هذه الأجهزة، المعروفة باسم مقاييس التسارع، تقيس مدى سرعة تغير جسم ما في سرعته أو اتجاهه. لعقود من الزمن، كانت النسخ الأكثر حساسية من هذه الأدوات ضخمة، ومكلفة، وهشة، وغالبًا ما تتطلب أنظمة كهربائية معقدة يمكن أن تتعرض للاضطراب بسهولة بفعل المجالات المغناطيسية. وقد جعل هذا استخدامها صعبًا خارج المختبرات المتخصصة أو على الأقمار الصناعية حيث الوزن والطاقة هما العملة النادرة. لقد كان الهدف للباحثين منذ فترة طويلة هو إنشاء مستشعر صغير بما يكفي ليناسب حقيبة ظهر، وخفيف بما يكفي للإطلاق في الفضاء، وحساس بما يكفي ليشعر بأنفاس الأرض.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة أريزونا خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال بناء مستشعر مدمج ثلاثي الأبعاد يستخدم الضوء لقياس الحركة. وبدلاً من الاعتماد على الكهرباء لاستشعار الحركة، بنوا جهازًا حيث تتحرك كتلة صغيرة من الزجاج، معلقة بواسطة نوابض زجاجية دقيقة، عندما تهتز. ثم استخدموا ليزرًا لمراقبة هذه الحركة بدقة متناهية. والنتيجة هي مستشعر يمكنه اكتشاف الاهتزازات التي تصل دقتها إلى مستوى الضجيج الخلفي الطبيعي للأرض، المعروف بالضوضاء الزلزالية، عبر ثلاثة اتجاهات مختلفة في آن واحد. يشير هذا الإنجاز إلى أن الأقمار الصناعية المستقبلية يمكنها حمل هذه الأجهزة الصغيرة والمتينة لرسم خرائط لجاذبية الكوكب أو الملاحة عبر الفضاء دون الحاجة إلى إلكترونيات ثقيلة وتستهلك الكثير من الطاقة.

الجوهر الأساسي لهذا المستشعر الجديد هو تصميم ذكي مصنوع بالكامل من قطعة واحدة من السيليكا المنصهرة، وهي نوع من الزجاج المعروف بنقائه واستقراره. تخيل لوحًا مسطحًا من هذا الزجاج، بحجم قاعدة كوب كبيرة تقريبًا، قام الباحثون بنحت كتلة اختبار صغيرة معلقة منه. يتم تثبيت هذه الكتلة بواسطة أذرع مرنة رقيقة تعمل كالنوابض. عندما يتحرك المستشعر، تتأخر الكتلة الاختبارية قليلًا بسبب القصور الذاتي، مما يؤدي إلى تمدد هذه النوابض الزجاجية. ولقياس هذا التمدد الضئيل، يقوم الباحثون بتوجيه شعاع ليزر نحو الكتلة. ومن خلال تقسيم الليزر ومقارنة الضوء الذي يرتد عن الكتلة المتحركة مع الضوء الذي يرتد عن مرآة ثابتة، يمكنهم اكتشاف تغيرات في الموقع أصغر من عرض الذرة. هذه الطريقة، التي تسمى التداخل الضوئي (interferometry)، تسمح لهم بتحويل الحركة الفيزيائية للكتلة الزجاجية إلى إشارة واضحة للتسارع.

بنى الفريق نظامًا يحتوي على ثلاثة من هذه المستشعرات مرتبة لقياس الحركة في اتجاهات X وY وZ، مما يخلق فعليًا رؤية كاملة ثلاثية الأبعاد للحركة. ووضعوا التجميع بأكمله داخل غرفة مفرغة من الهواء لإزالة تداخل جزيئات الهواء، والتي يمكن أن تخمد الاهتزازات الدقيقة التي يحاولون قياسها. ولاختبار مدى كفاءته، وضعوا الجهاز بجانب جهاز سيزمومتر تجاري عالي الجودة، وهو أداة يستخدمها الجيولوجيون لدراسة الزلازل. ثم سجلوا حركة الأرض في توسون، أريزونا، وهي منطقة ذات اهتزازات خلفية نموذجية. ووجد الباحثون أن مستشعرهم الزجاجي الجديد يمكنه تتبع نفس حركات الأرض مثل الجهاز التجاري الكبير، مطابِقًا قراءاته من الترددات المنخفضة جدًا حتى ثماني دورات في الثانية. وأثبت هذا الاتفاق أن جهازهم الصغير القائم على الزجاج كان حساسًا بما يكفي لسماع الاهتزازات الطبيعية للأرض.

ومع ذلك، لم يكن أداء المستشعر متماثلاً في جميع الاتجاهات الثلاثة. فقد أدت المستشعرات التي تقيس الحركة الجانبية، أي المحورين X وY، أداءً استثنائيًا، حيث وصلت إلى مستوى ضجيج قدره 60 بيكو-جي لكل جذر هرتز عند هرتز واحد. وهذا يعني أنها يمكنها اكتشاف تسارعات خافتة للغاية. أما المستشر الثالث، الذي يقيس الحركة للأعلى والأسفل على طول المحور Z، فقد تصرف بشكل مختلف أثناء وجوده على الأرض. فبسبب سحب جاذبية الأرض للأسفل على النوابض الزجاجية، أصبح مستشعر المحور Z أكثر صلابة، مما جعله أقل حساسية للحركات الرأسية. وقد انزاح تردده الرنيني من حوالي 11 هرتز إلى 44 هرتز تحت تأثير وزن الجاذبية، مما قلل من قدرته على اكتشاف الحركات البطيئة واللطيفة مقارنة بمستشعرات الحركة الجانبية.

أدرك الباحثون أن هذه الصلابة كانت مشكلة مؤقتة ناتجة عن جاذبية الأرض. واستنتجوا أنه إذا تم أخذ المستشعر إلى الفضاء، حيث تنعدم الجاذبية فعليًا، فإن النوابض ستسترخي، وسيعمل مستشعر المحور Z بنفس كفاءة المستشعرات الأخرى. وللتحقق من ذلك، اختبروا مستشعر المحور Z في تكوين يحاكي بيئة انعدام الوزن عن طريق تدويره بحيث تسحب الجاذبية جانبًا بدلًا من الأسفل. في هذا الإعداد، انخفض تردد المستشعر عائداً إلى 11 هرتز، وتحسنت حساسيته بشكل كبير، ليتطابق مع أداء مستشعرات الحركة الجانبية. وقد أكد هذا أن الجهاز قادر تمامًا على قياس الحركة ثلاثية الأبعاد بدقة متساوية بمجرد دخوله المدار.

كما حدد الفريق خللًا محددًا في كيفية توجيه الضوء إلى مستشعر الأعلى والأسفل في الوحدة النهائية المجمعة. نظرًا للمساحة الضيقة داخل الجهاز، كان على شعاع الليزر أن يسافر مسافة أطول للوصول إلى المرآة المرجعية، مما أدى إلى إدخال قدر ضئيل من الضجيج الإضافي. ومن خلال اختبار نسخة مستقلة من مستشعر المحور Z بتخطيط بصري أكثر انفتاحًا، أظهروا أنه يمكن تقليل هذا الضجيج بمقدار عشرة أضعاف. وتوفر هذه النتيجة مسارًا واضحًا لتحسين التصميم النهائي، مما يضمن أن يكون مستشعر الأعلى والأسفل هادئًا مثل المستشعرات الأخرى عند تشغيل الجهاز في الفضاء.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن بناء مستشعر قصوري كامل ثلاثي المحاور يكون صغيرًا، وخفيفًا، وقويًا بما يكفي لمهام الفضاء. الجهاز بأكمله يتسع في صندوق تبلغ أبعاده 156 في 156 في 65 مليمترًا، وهو حجم مدمج للغاية بالنسبة لمستوى الحساسية الذي يحققه. ومن خلال إثبات أن هذه المستشعرات يمكنها اكتشاف نفس حركة الأرض التي ترصدها الأجهزة الكبيرة والمستقرة، فقد تحقق الباحثون من نهج جديد لقياس التسارع. قد تسمح هذه التكنولوجيا قريبًا للأقمار الصناعية بالملاحة بدقة أكبر، أو رسم خرائط لمجال جاذبية الأرض بتفاصيل أكثر دقة، أو حتى المساعدة في اكتشاف التموجات الدقيقة في الزمكان الناتجة عن أحداث كونية بعيدة، كل ذلك مع حمل حمولة أصغر بكثير وأكثر كفاءة مما هو ممكن حاليًا.