A compact low-frequency optomechanical triaxial inertial sensor

En el silencioso zumbido de un laboratorio, los científicos a menudo intentan escuchar los susurros más tenues del universo. Para lograrlo, construyen instrumentos que pueden detectar los movimientos más ínfimos, desde el lento desplazamiento de las placas tectónicas hasta el sutil tirón de una onda gravitacional pasajera. Estos dispositivos, conocidos como acelerómetros, miden qué tan rápido un objeto cambia su velocidad o dirección. Durante décadas, las versiones más sensibles de estas herramientas han sido voluminosas, costosas y frágiles, requiriendo a menudo sistemas eléctricos complejos que pueden ser fácilmente perturbados por campos magnéticos. Esto ha dificultado su uso fuera de laboratorios especializados o en satélites donde el peso y la potencia son primordiales. El objetivo de los investigadores ha sido durante mucho tiempo crear un sensor lo suficientemente pequeño como para caber en una mochila, lo suficientemente ligero para lanzarlo al espacio y lo suficientemente sensible como para sentir el aliento de la Tierra.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona ha dado un paso significativo hacia este objetivo al construir un sensor compacto tridimensional que utiliza la luz para medir el movimiento. En lugar de depender de la electricidad para detectar el movimiento, construyeron un dispositivo donde un diminuto bloque de vidrio, suspendido por delicados resortes de vidrio, se mueve cuando se sacude. Luego utilizaron un láser para observar este movimiento con extrema precisión. El resultado es un sensor que puede detectar vibraciones tan pequeñas como el zumbido natural de fondo de la Tierra, conocido como ruido sísmico, en tres direcciones diferentes a la vez. Este logro sugiere que los futuros satélites podrían transportar estos dispositivos pequeños y robustos para mapear la gravedad del planeta o navegar por el espacio sin la necesidad de electrónica pesada y que consume mucha energía.

El núcleo de este nuevo sensor es un diseño ingenioso hecho enteramente de una sola pieza de sílice fundida, un tipo de vidrio conocido por su pureza y estabilidad. Imagine una placa plana de este vidrio, aproximadamente del tamaño de un posavasos grande, de la cual los investigadores han tallado una pequeña masa suspendida. Esta masa se mantiene en su lugar mediante brazos muy finos y flexibles que actúan como resortes. Cuando el sensor se mueve, la masa de prueba se queda ligeramente atrás debido a la inercia, estirando estos resortes de vidrio. Para medir este estiramiento diminuto, los investigadores proyectan un rayo láser sobre la masa. Al dividir el láser y comparar la luz que rebota en la masa en movimiento con la luz que rebota en un espejo estacionario, pueden detectar cambios de posición menores que el ancho de un átomo. Este método, llamado interferometría, les permite convertir el movimiento físico de la masa de vidrio en una señal clara de aceleración.

El equipo construyó un sistema con tres de estos sensores dispuestos para medir el movimiento en las direcciones X, Y y Z, creando efectivamente una visión tridimensional completa del movimiento. Colocaron todo el ensamblaje dentro de una cámara de vacío para eliminar la interferencia de las moléculas de aire, que pueden amortiguar las delicadas vibraciones que intentan medir. Para probar qué tan bien funcionaba, colocaron el dispositivo junto a un sismómetro comercial estándar de alta gama, una herramienta utilizada por geólogos para estudiar terremotos. Luego registraron el movimiento del suelo en Tucson, Arizona, una región con vibraciones de fondo típicas. Los investigadores encontraron que su nuevo sensor de vidrio podía rastrear los mismos movimientos del suelo que el gran instrumento comercial, igualando sus lecturas desde frecuencias muy bajas hasta ocho ciclos por segundo. Este acuerdo demostró que su pequeño dispositivo basado en vidrio era lo suficientemente sensible como para escuchar las vibraciones naturales de la Tierra.

Sin embargo, el rendimiento del sensor no fue idéntico en las tres direcciones. Los sensores que miden el movimiento lateral, los ejes X e Y, funcionaron excepcionalmente bien, alcanzando un nivel de ruido de 60 pico-g por la raíz cuadrada de un hertz en un hertz. Esto significa que pueden detectar aceleraciones increíblemente tenues. El tercer sensor, que mide el movimiento de arriba hacia abajo a lo largo del eje Z, se comportó de manera diferente mientras estaba sobre el suelo. Debido a que la gravedad de la Tierra tira hacia abajo de los resortes de vidrio, el sensor del eje Z se volvió más rígido, lo que lo hizo menos sensible a los movimientos verticales. Su frecuencia de resonancia se desplazó de unos 11 hertz a 44 hertz bajo el peso de la gravedad, lo que redujo su capacidad para detectar movimientos lentos y suaves en comparación con los sensores laterales.

Los investigadores comprendieron que esta rigidez era un problema temporal causado por la gravedad de la Tierra. Razonaron que si el sensor fuera llevado al espacio, donde la gravedad es efectivamente inexistente, los resortes se relajarían y el sensor del eje Z funcionaría tan bien como los demás. Para verificar esto, probaron el sensor del eje Z en una configuración que simulaba un entorno de ingravidez al rotarlo para que la gravedad tirara lateralmente en lugar de hacia abajo. En esta configuración, la frecuencia del sensor descendió de nuevo a 11 hertz y su sensibilidad mejoró drásticamente, igualando el rendimiento de los sensores laterales. Esto confirmó que el dispositivo es plenamente capaz de medir el movimiento tridimensional con la misma precisión una vez que esté en órbita.

El equipo también identificó un fallo específico en la forma en que se dirigía la luz al sensor de arriba hacia abajo en la unidad final ensamblada. Debido al espacio reducido dentro del dispositivo, el rayo láser tenía que recorrer una distancia más larga para llegar al espejo de referencia, lo que introdujo una pequeña cantidad de ruido adicional. Al probar una versión independiente del sensor del eje Z con un diseño óptico más abierto, demostraron que este ruido podía reducirse por un factor de diez. Este hallazgo proporciona un camino claro para mejorar el diseño final, asegurando que el sensor de arriba hacia abajo sea tan silencioso como los otros cuando el dispositivo vuele en el espacio.

Este trabajo demuestra que es posible construir un sensor inercial completo de tres ejes que sea pequeño, ligero y lo suficientemente potente para misiones espaciales. Todo el dispositivo cabe en una caja que mide solo 156 por 156 por 65 milímetros, un tamaño que es notablemente compacto para el nivel de sensibilidad que alcanza. Al demostrar que estos sensores pueden detectar el mismo movimiento del suelo que los instrumentos grandes y establecidos, los investigadores han validado un nuevo enfoque para medir la aceleración. Esta tecnología podría permitir pronto que los satélites naveguen con mayor precisión, mapeen el campo de gravedad de la Tierra con mayor detalle, o incluso ayuden a detectar las sutiles ondulaciones en el espacio-tiempo causadas por eventos cósmicos distantes, todo ello transportando una carga útil que es mucho más pequeña y eficiente de lo que es posible actualmente.