Egy amerikai katonai űrrepülőgép, az X-37B orbitális tesztjármű, várhatóan 2025. augusztus 21-én indul nyolcadik űrrepülésére . Az X-37B űrben végzett tevékenységének nagy része titkos. Részben azonban platformként szolgál élvonalbeli kísérletekhez.

Az egyik ilyen kísérlet a GPS potenciális alternatívája, amely a kvantumtudományt használja navigációs eszközként: egy kvantuminális inerciális érzékelő.

A műholdas rendszerek, mint például a GPS, mindenütt jelen vannak a mindennapi életünkben, az okostelefonokon elérhető térképektől kezdve a repülésen és a logisztikán át. De a GPS nem mindenhol érhető el. Ez a technológia forradalmasíthatja az űrhajók, repülőgépek, hajók és tengeralattjárók navigációját olyan környezetben, ahol a GPS nem érhető el vagy veszélybe kerül.

Az űrben, különösen a Föld körüli pályán túl, a GPS-jelek megbízhatatlanná válnak, vagy egyszerűen eltűnnek. Ugyanez vonatkozik a víz alatti területekre is, ahol a tengeralattjárók egyáltalán nem férnek hozzá a GPS-hez. És még a Földön is, a GPS-jelek zavarhatók ( blokkolhatók), hamisíthatók (a GPS-vevő azt hiheti, hogy egy másik helyen van), vagy letilthatók – például egy konfliktus során.

Emiatt a GPS nélküli navigáció kritikus kihívást jelent. Ilyen esetekben elengedhetetlenek a külső jelektől függetlenül működő navigációs rendszerek.

A hagyományos inerciális navigációs rendszerek (INS), amelyek gyorsulásmérőket és giroszkópokat használnak a jármű gyorsulásának és forgásának mérésére, független navigációt biztosítanak, mivel képesek megbecsülni a pozíciót a jármű időbeli mozgásának nyomon követésével. Képzeljen el egy autóban ülni csukott szemmel: továbbra is érzi a fordulatokat, a megállásokat és a gyorsulásokat, amelyeket az agya integrál, hogy kitalálja, hol tartózkodik az idő múlásával.

Végül azonban vizuális jelzések nélkül apró hibák halmozódnak fel, és teljesen elveszíted a pozicionálásodat. Ugyanez vonatkozik a klasszikus inerciális navigációs rendszerekre is: ahogy a kis mérési hibák felhalmozódnak, fokozatosan eltérnek a pályáról, és korrekcióra szorulnak a GPS-től vagy más külső jelektől.

Az X-37B a SpaceX Falcon 9 rakományburkolatában a nyolcadik küldetésének indítása előtt. - Forrás: Amerikai Űrhaderő

Ahol a kvantum segít

Ha a kvantumfizikára gondolunk , egy különös világ juthat eszünkbe, ahol a részecskék hullámként viselkednek, és Schrödinger macskája egyszerre él és halott. Ezek a gondolatkísérletek valóban leírják, hogyan viselkednek az olyan apró részecskék, mint az atomok.

Nagyon alacsony hőmérsékleten az atomok a kvantummechanika szabályait követik: hullámként viselkednek, és egyszerre több állapotban is létezhetnek – két olyan tulajdonság, amelyek a kvantuminierciális érzékelők középpontjában állnak.

Az X-37B fedélzetén található kvantuminierciális érzékelő az atominterferometriának nevezett technikát alkalmazza , ahol az atomokat közel abszolút nulla hőmérsékletre hűtik, így hullámként viselkednek. Finomhangolt lézerek segítségével minden atomot szuperpozíciós állapotba osztanak, hasonlóan Schrödinger macskájához, így egyszerre két pályán haladnak, amelyeket aztán újra egyesítenek.

Mivel az atom a kvantummechanikában hullámként viselkedik, ez a két útvonal interferál egymással, egy olyan mintázatot hozva létre, amely hasonló a vízen átfedő fodrozódásokhoz. Ebben a mintázatban részletes információk vannak kódolva arról, hogy az atom környezete hogyan befolyásolta útját. Különösen a mozgásban bekövetkező legkisebb változások, mint például az érzékelők forgása vagy gyorsulása, hagynak kimutatható nyomokat ezeken az atom „hullámokon”.

A klasszikus inerciális navigációs rendszerekhez képest a kvantumérzékelők nagyságrendekkel nagyobb érzékenységet kínálnak. Mivel az atomok azonosak és nem változnak – ellentétben a mechanikus alkatrészekkel vagy az elektronikával –, sokkal kevésbé hajlamosak az eltolódásra vagy az eltolódásra. Az eredmény hosszú időtartamú és nagy pontosságú navigáció külső referenciák nélkül.

A közelgő X-37B küldetés lesz az első alkalom, hogy ezt a szintű kvantuminierciális navigációt tesztelik az űrben. Korábbi küldetések, mint például a NASA Hidegatom-laboratóriuma és a Német Űrügynökség MAIUS-1 űrhajója , már repültettek atominterferométereket pályára állított vagy szuborbitális repüléseken, és sikeresen demonstrálták az atominterferometria fizikáját az űrben, bár nem kifejezetten navigációs célokra.

Az X-37B (akkoriban az amerikai légierő által repült) egy ULA Atlas V rakéta hasznos teherburkolatában az első, 2010. április 22-i indítása előtt. - Forrás: US Space Force/Boeing

Ezzel szemben az X-37B kísérletet egy kompakt, nagy teljesítményű, rugalmas inerciális navigációs egységként tervezték valós, hosszú távú küldetésekhez. Az atominterferometriát a tiszta tudomány birodalmából a repülőgépipar gyakorlati alkalmazásává emeli. Ez egy nagy ugrás.

Ennek fontos következményei vannak mind a katonai, mind a polgári űrrepülésre nézve. Az amerikai űrhaderő számára ez egy lépést jelent a nagyobb működési ellenálló képesség felé, különösen olyan helyzetekben, amikor a GPS nem elérhető. A jövőbeli űrkutatásokhoz, például a Holdra, a Marsra vagy akár a mélyűrbe vezető utakhoz, ahol az autonómia kulcsfontosságú, egy kvantumnavigációs rendszer nemcsak megbízható tartalékként, hanem akár elsődleges rendszerként is szolgálhat, amikor a Földről érkező jelek nem érhetők el.

A kvantumnavigáció csak egy része a kvantumtechnológiák jelenlegi, szélesebb körű hullámának, amely a laboratóriumi kutatásokból a valós alkalmazásokba lép. Míg a kvantum-számítástechnika és a kvantumkommunikáció gyakran ellopja a címlapokat, valószínűleg az olyan rendszerek, mint a kvantumórák és a kvantumérzékelők lesznek az elsők, amelyek széles körben elterjednek.

Többek között az Egyesült Államok, Kína és az Egyesült Királyság is jelentős összegeket fektet be a kvantuminierciális érzékelésbe, a közelmúltbeli légi és tengeralattjárós tesztek ígéretesnek tűnnek. 2024-ben a Boeing és az AOSense elvégezte a világ első repülés közbeni kvantuminierciális navigációs tesztjét egy személyzettel rendelkező repülőgép fedélzetén.

Ez körülbelül négy órán át folyamatos GPS-mentes navigációt demonstrált. Ugyanebben az évben az Egyesült Királyság végrehajtotta az első nyilvánosan elismert kvantumnavigációs repülési tesztjét egy kereskedelmi repülőgépen.

Idén nyáron az X-37B küldetés hozza el ezeket az eredményeket az űrbe. Katonai jellege miatt a teszt titokban és nyilvánosság nélkül maradhat. De ha sikerrel jár, akkor arra a pillanatra emlékezhetnek, amikor az űrnavigáció kvantumugrást tett előre. (space.com)

Címlapkép: Az X-37B orbitális tesztjármű a NASA Kennedy Űrközpont űrrepülőgép-leszállólétesítményében röviddel a 2022. november 12-i leszállás után. - Forrás: US Space Force/Staff Sgt. Adam Shanks