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No se deje engañar por las paredes de metal de titanio o las ventanas de zafiro. Es lo que hay en el interior de este pequeño y curioso dispositivo lo que podría dar inicio algún día a una nueva era de la navegación.
Desde hace más de un año, la cámara de vacío del tamaño de un aguacate contiene una nube de átomos en las condiciones adecuadas para realizar mediciones precisas de navegación. Es el primer dispositivo lo suficientemente pequeño, eficiente energéticamente y fiable como para trasladar los sensores cuánticos -sensores que utilizan la mecánica cuántica para superar las tecnologías convencionales- del laboratorio al uso comercial, dijo el científico de Sandia National Laboratories Peter Schwindt.
Sandia ha desarrollado la cámara como tecnología básica para futuros sistemas de navegación que no dependan de los satélites GPS. Se describió a principios de este año en la revista AVS Quantum Science.
Innumerables dispositivos de todo el mundo utilizan el GPS para orientarse. Esto es posible porque los relojes atómicos, conocidos por su extrema precisión, mantienen la red de satélites perfectamente sincronizada.
Pero las señales del GPS pueden ser interferidas o falseadas, lo que podría inutilizar los sistemas de navegación de los vehículos comerciales y militares por igual, explica Schwindt.
Por eso, en lugar de depender de los satélites, los vehículos del futuro podrían controlar su propia posición. Podrían hacerlo con dispositivos de a bordo tan precisos como los relojes atómicos, pero que miden la aceleración y la rotación haciendo brillar láseres en pequeñas nubes de gas de rubidio como el que ha contenido Sandia.
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| El científico de Sandia National Laboratories Peter Schwindt, a la izquierda, y la científica postdoctoral Bethany Little examinan el paquete de vacío sostenido en una montura amarilla impresa en 3D. Crédito: Bret Latter |
La compacidad es la clave de las aplicaciones en el mundo real
Ya existen acelerómetros y giroscopios atómicos, pero son demasiado voluminosos y consumen demasiada energía para utilizarlos en el sistema de navegación de un avión. Esto se debe a que necesitan un gran sistema de vacío para funcionar, que requiere miles de voltios de electricidad.
"Los sensores cuánticos son un campo en crecimiento y hay muchas aplicaciones que se pueden demostrar en el laboratorio", dijo la científica postdoctoral de Sandia Bethany Little, que contribuye a la investigación. "Pero cuando se traslada al mundo real, hay muchos problemas que hay que resolver. Dos de ellos son hacer que el sensor sea compacto y resistente. Toda la física tiene lugar en un centímetro cúbico (0,06 pulgadas cúbicas) de volumen, así que cualquier cosa más grande que eso es espacio desperdiciado".
Little dijo que su equipo ha demostrado que la detección cuántica puede funcionar sin un sistema de vacío de alta potencia. Esto reduce el paquete a un tamaño práctico sin sacrificar la fiabilidad.
En lugar de una bomba de vacío potente, que elimina las moléculas que se filtran y estropean las mediciones, un par de dispositivos denominados getters utilizan reacciones químicas para atrapar a los intrusos. Cada uno de los getters tiene el tamaño aproximado de la goma de borrar de un lápiz, por lo que pueden meterse dentro de dos tubos estrechos que sobresalen del paquete de titanio. Además, funcionan sin necesidad de una fuente de energía.
Para evitar aún más los contaminantes, Schwindt se asoció con científicos de materiales de Sandia para construir la cámara con titanio y zafiro. Estos materiales son especialmente buenos para bloquear gases como el helio, que puede atravesar el acero inoxidable y el vidrio Pyrex. La financiación corrió a cargo del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Sandia.
La construcción requirió sofisticadas técnicas de fabricación que Sandia ha perfeccionado para unir materiales avanzados para componentes de armas nucleares. Y al igual que un arma nuclear, la cámara de titanio debe funcionar de forma fiable durante años.
El equipo de Sandia sigue supervisando el dispositivo. Su objetivo es mantenerlo sellado y operativo durante cinco años, un hito importante para demostrar que la tecnología está lista para ser utilizada. Mientras tanto, están explorando formas de racionalizar la fabricación.
Fuentes, créditos y referencias:
Bethany J. Little et al, A passively pumped vacuum package sustaining cold atoms for more than 200 days, AVS Quantum Science (2021). DOI: 10.1116/5.0053885
Imagen: Un dispositivo compacto diseñado y construido en los Laboratorios Nacionales Sandia podría convertirse en un componente fundamental de los sistemas de navegación de próxima generación. Crédito: Bret Latter