A compact low-frequency optomechanical triaxial inertial sensor

Im leisen Summen eines Labors versuchen Wissenschaftler oft, das leiseste Flüstern des Universums zu hören. Um dies zu tun, bauen sie Instrumente, die kleinste Bewegungen erfassen können, vom langsamen Driften der tektonischen Platten bis hin zum subtilen Zug einer vorbeiziehenden Gravitationswelle. Diese Geräte, bekannt als Beschleunigungssensoren, messen, wie schnell ein Objekt seine Geschwindigkeit oder Richtung ändert. Über Jahrzehnte hinweg waren die empfindlichsten Versionen dieser Werkzeuge sperrig, teuer und zerbrechlich und erforderten oft komplexe elektrische Systeme, die leicht durch Magnetfelder gestört werden können. Dies machte sie schwierig einzusetzen außerhalb spezialisierter Labore oder auf Satelliten, wo Gewicht und Energie kostbar sind. Das Ziel der Forscher war es seit langem, einen Sensor zu entwickeln, der klein genug ist, um in einen Rucksack zu passen, leicht genug, um ins Weltall geschickt zu werden, und empfindlich genug, um das Atmen der Erde zu spüren.

Ein Forschungsteam der University of Arizona hat mit dem Bau eines kompakten, dreidimensionalen Sensors, der Licht zur Messung von Bewegung nutzt, einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels unternommen. Anstatt sich auf Elektrizität zu verlassen, um Bewegung zu erfassen, bauten sie ein Gerät, bei dem sich ein winziger Glasblock, der an empfindlichen Glasfedern aufgehängt ist, bewegt, wenn er geschüttelt wird. Sie nutzten dann einen Laser, um diese Bewegung mit extremer Präzision zu beobachten. Das Ergebnis ist ein Sensor, der Vibrationen, die so klein sind wie das natürliche Hintergrundrauschen der Erde, bekannt als seismisches Rauschen, in drei verschiedenen Richtungen gleichzeitig erfassen kann. Diese Errungenschaft deutet darauf an, dass zukünftige Satelliten diese kleinen, robusten Geräte tragen könnten, um den Planeten in seiner Schwerkraft zu kartieren oder durch den Weltraum zu navigieren, ohne auf schwere, stromhungrige Elektronik angewiesen zu sein.

Der Kern dieses neuen Sensors ist ein kluges Design, das vollständig aus einem einzigen Stück Siliziumdioxid besteht, einer Art von Glas, die für ihre Reinheit und Stabilität bekannt ist. Stellen Sie sich eine flache Platte aus diesem Glas vor, etwa so groß wie ein großer Untersetzer, aus der die Forscher eine winzige, aufgehängte Testmasse herausgearbeitet haben. Diese Masse wird durch sehr dünne, flexible Arme an Ort und Stelle gehalten, die wie Federn wirken. Wenn sich der Sensor bewegt, hinkt die Testmasse aufgrund der Trägheit leicht hinterher, was die Glasfedern dehnt. Um diese winzige Dehnung zu messen, strahlen die Forscher einen Laserstrahl auf die Masse. Indem sie den Laser aufteilen und das Licht, das von der bewegten Masse zurückgeworfen wird, mit dem Licht vergleichen, das von einem stationären Spiegel abprallt, können sie Positionsänderungen detektieren, die kleiner als die Breite eines Atoms sind. Diese Methode, genannt Interferometrie, ermöglicht es ihnen, die physische Bewegung der Glasmasse in ein klares Signal der Beschleunigung umzuwandeln.

Das Team baute ein System mit drei dieser Sensoren, die so angeordnet sind, dass sie die Bewegung in den X-, Y- und Z-Richtungen messen, wodurch effektiv eine vollständige dreidimensionale Ansicht der Bewegung entsteht. Sie platzierten die gesamte Baugruppe in einer Vakuumkammer, um die Interferenz von Luftmolekülen zu entfernen, welche die empfindlichen Vibrationen, die sie messen wollen, dämpfen können. Um zu testen, wie gut es funktionierte, platzierten sie das Gerät neben einem standardmäßigen, hochwertigen kommerziellen Seismometer, einem Werkzeug, das Geologen zur Untersuchung von Erdbeben verwenden. Sie zeichneten dann die Bodenbewegung in Tucson, Arizona, einer Region mit typischen Hintergrundvibrationen, auf. Die Forscher fanden heraus, dass ihr neuer Glassensor dieselben Bodenbewegungen wie das große kommerzielle Instrument verfolgen konnte und dabei dessen Messwerte von sehr niedrigen Frequenzen bis zu acht Zyklen pro Sekunde genau wiedergab. Diese Übereinstimmung bewies, dass ihr kleiner, glasbasierter Sensor empfindlich genug war, um die natürlichen Vibrationen der Erde zu „hören“.

Die Leistung des Sensors war jedoch in allen drei Richtungen nicht identisch. Die Sensoren, die die Seitwärtsbewegungen messen, die X- und Y-Achsen, schnitten außergewöhnlich gut ab und erreichten ein Rauschniveau von 60 Pikogravitation pro Wurzel Hertz bei einem Hertz. Das bedeutet, dass sie unglaublich schwache Beschleunigungen detektieren konnten. Der dritte Sensor, der die Auf-und-Ab-Bewegung entlang der Z-Achse misst, verhielt sich beim Stehen auf dem Boden anders. Da die Erdenschwerkraft die Glasfedern nach unten zieht, wurde der Z-Achsen-Sensor steifer, was ihn weniger empfindlich für vertikale Bewegungen machte. Seine Resonanzfrequenz verschob sich unter dem Gewicht der Schwerkraft von etwa 11 Hertz auf 44 Hertz, was seine Fähigkeit einschränkte, langsame, sanfte Bewegungen im Vergleich zu den Seitwärts-Sensoren zu detektieren.

Die Forscher verstanden, dass diese Steifigkeit ein temporäres Problem war, das durch die Erdenschwerkraft verursacht wurde. Sie schlussfolgerten, dass, wenn der Sensor ins Weltall gebracht würde, wo die Schwerkraft praktisch abwesend ist, die Federn sich entspannen würden und der Z-Achsen-Sensor genauso gut funktionieren würde wie die anderen. Um dies zu überprüfen, testeten sie den Z-Achsen-Sensor in einer Konfiguration, die eine schwerelose Umgebung simulierte, indem sie ihn so drehten, dass die Schwerkraft seitlich statt nach unten zog. In diesem Aufbau sank die Frequenz des Sensors zurück auf 11 Hertz, und seine Empfindlichkeit verbesserte sich dramatisch, sodass sie der Leistung der Seitwärts-Sensoren entsprach. Dies bestätigte, dass das Gerät voll fähig ist, dreidimensionale Bewegungen mit gleicher Präzision zu messen, sobald es im Orbit ist.

Das Team identifizierte auch einen spezifischen Fehler in der Art und Weise, wie das Licht auf den Auf-und-Ab-Sensor in der fertigen Einheit gelenkt wurde. Aufgrund des engen Raums innerhalb des Geräts musste der Laserstrahl eine längere Strecke zurücklegen, um den Referenzspiegel zu erreichen, was ein kleines Maß an zusätzlichem Rauschen einführte. Durch das Testen einer eigenständigen Version des Z-Achsen-Sensors mit einem offeneren optischen Layout zeigten sie, dass dieses Rauschen um den Faktor zehn reduziert werden konnte. Dieser Befund bietet einen klaren Weg zur Verbesserung des endgültigen Designs, um sicherzustellen, dass der Auf-und-Ab-Sensor genauso ruhig ist wie die anderen, wenn das Gerät im Weltraum eingesetzt wird.

Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, einen vollständigen Drei-Achsen-Inertialsensor zu bauen, der klein, leicht und leistungsstark genug für Weltraummissionen ist. Das gesamte Gerät passt in einen Kasten, der nur 156 mal 156 mal 65 Millimeter misst – eine Größe, die für das erreichte Maß an Empfindlichkeit bemerkenswert kompakt ist. Indem sie bewiesen, dass diese Sensoren dieselbe Bodenbewegung wie große, etablierte Instrumente detektieren können, haben die Forscher einen neuen Ansatz zur Messung von Beschleunigung validiert. Diese Technologie könnte es Satelliten bald ermöglichen, präziser zu navigieren, das Gravitationsfeld der Erde mit größerer Detailgenauigkeit zu kartieren oder sogar dabei zu helfen, die subtilen Wellen in der Raumzeit zu erkennen, die durch ferne kosmische Ereignisse verursacht werden – und das alles mit einer Nutzlast, die weitaus kleiner und effizienter ist als das, was derzeit möglich ist.