Kvantesensor til navigation testes i Grønland

En kvantesensor til måling af accelerationer vil i juni blive skruet fast i kabinen på et rødt Twin Otter-propelfly og flyve i et zigzagmønster over Godthåbsfjorden ved Nuuk i Grønland. Sensoren er under udvikling af det statsejede franske firma ONERA, og med testflyvningerne skal forskere fra DTU dokumentere, hvor præcist kvantesensoren kan bestemme Jordens tyngdefelt. Samtidig skal forskerne teste, hvordan man i fremtiden kan navigere mere præcist med kvantebaserede navigationssystemer, hvis gps-satellitnavigation bliver ’jammet’ i en krisesituation.

”Populært sagt kan kvantesensoren sammenlignes med et accelerometer, som sidder i mange moderne smartphones, og som bruges til at bestemme telefonens orientering og bevægelser. I kvantesensoren sidder accelerometeret i en vakuumbeholder, hvor rubidiumatomer er nedkølet til tæt på det absolutte nulpunkt, dvs. -273 grader. Atomernes bevægelser afspejler nøjagtigt Jordens tyngdekraft og flyets accelerationer og registreres ved hjælp af laser,” forklarer René Forsberg, professor ved DTU Space. Instrumentudviklingen er stadig på et tidligt stadie, og udstyret vejer flere hundrede kilo med den tilhørende elektronik, lasere og vakuumudstyr.

Quantum warfare

Testflyvningerne med en kvantesensor finder sted i projektet Green Quantum, som medfinansieres af Forsvarsministeriets Materiel- og Indkøbsstyrelse, FMI, og resultaterne skal bruges i en europæisk satsning på kvantemetoder til fremtidig ’quantum warfare’, som udvikles i projektet ADEQUADE (Advanced, Disruptive and Emerging QUAntum technologies for DEfence), der er bevilget af Den Europæiske Forsvarsfond, EDF.

35 europæiske partnere samarbejder i ADEQUADE om at reducere kvantesensorteknologien fra de nuværende kolosser, som fylder det meste af flyveren, til en sensorbaseret chipteknologi på størrelse med en kaffekop.

DTU Space og ONERA er begge partnere i ADEQUADE og har i et tidligere samarbejde i 2017-19 fløjet et kvanteaccelerometer i tests på Island og i Biscayen. Dermed demonstrerede DTU som de første i verden muligheden for at bruge kvantesensorer til at måle variationer i Jordens tyngdefelt fra fly, som i fagsprog betegnes kvantegravimetri. Kvantegravimetri har vigtige anvendelser i overvågning af klimaændringer og geodynamiske undersøgelser, f.eks. i vulkan- eller jordskælvszoner.

Testflyvninger i Grønland

I testflyvningerne i Grønland installerer forskere og ph.d.-studerende fra DTU kvantesensoren i et gyrostabiliseret leje, som hele tiden er i vater og dermed sikrer, sammen med præcise gps-målinger, at kvantemålingerne hele tiden er korrigeret for flyets bevægelser. Der flyves samtidig en kommerciel flynavigationsenhed, og samlet set giver det forskerne et overblik over flyets position med få centimeters nøjagtighed. Dette giver mulighed for at bestemme tyngdefeltet med meget høj nøjagtighed (10^-6 g) og generere data, som bl.a. skal bruges til at forbedre grønlandske højdemålinger, der er baseret på gps, og også sikre data til en bedre korrektion af kvantenavigation.

”På udvalgte strækninger vil vi koble alle vore normale navigationssystemer fra og alene flyve på kvantesensoren. Det gør det muligt at opsamle data for, hvor præcis kvantenavigationen er – både i forhold til tyngdekortet og i forhold til flyets bevægelser i luften,” forklarer René Forsberg. Forbedrede tyngdekort er helt essentielle baggrundsdata for fuldt ud at udnytte kvantesensorer til præcis navigation.

Uafhængig af gps-signaler

I den nuværende kvantesensor registrerer en laserkilde alene atomernes op- og nedadgående bevægelser, men hvis sensoren udstyres med flere lasere, kan flyet styres alene på baggrund af kvantesensoren og dermed blive uafhængigt af informationer fra gps-systemer, der kan jammes eller spoofes. Dette sker hyppigt i forbindelse med Ukrainekrigen, og vi har også set eksempler på gps-jamming i Danmark.

Kvantenavigation, især hvis det kan komme ned på størrelse med en chip, vil i fremtiden kunne anvendes overalt, også i bygninger, under jorden og i ubåde. Kvanteaccelerometre muliggør også mere præcise satellitmålinger af klimaændringer som isens afsmeltning, stigninger i det globale havniveau og oversvømmelser gennem måling af tyngdefeltets ændringer, og DTU deltager derfor også i et parallelt EU-projekt, CARIOQA, til at forberede teknologi til en fremtidig europæisk kvantesatellitmission.

Tyngdemålinger fra DTU

DTU Space har forsket i og udviklet tyngdekraftmodeller og udviklet og udført luftbårne tyngdekraftundersøgelser på alle syv kontinenter siden 1990’erne. DTU Space udfører også geodætiske undersøgelser i Grønland på vegne af Styrelsen for Dataforsyning og Infrastruktur. Luftbårne tyngdemålinger bruges i stigende grad som en integreret del af de moderne vertikale referencesystemer, ’geoiden’, der er grundlag for præcise gps-højdemålinger. Data for Jordens tyngdefelt bruges også til geofysisk eksploration og beregning af præcise satellitbaner, f.eks. til overvågning af ændringer i det globale havniveau med radar.

FAKTA

Forskningsprojektet ADEQUADE skal udvikle ny kvanteteknologi til navigation, tyngde- og magnetfeltsmåling samt forbedrede radar- og lasersystemer. Projektet er støttet af Den Europæiske Forsvarsfond, EDF.