Ученые из Синьцзяна нашли способ навигации под водой без GPS с помощью нового кристалла
Ученые из китайского Университета Синьцзян разработали новый кристалл, генерирующий ультрафиолетовое излучение, который может помочь в создании сверхточных ториевых ядерных часов. Это открытие имеет огромное значение для навигации, и в будущем такие часы потенциально смогут обеспечивать управление подводными лодками или автоматическими межпланетными станциями в дальнем космосе без использования глобальных навигационных спутниковых систем (GPS). Согласно имеющимся данным, идеальные ядерные часы не сделают GPS ненужной, но если технология будет доведена до совершенства, она позволит значительно снизить зависимость от спутниковых систем. Ключевая проблема, которую пытаются решить ученые, — это точность хронометрирования, которое является основой для работы GPS.
Для понимания важности этой задачи можно рассмотреть принцип работы навигации в обычном смартфоне. Телефон вычисляет свое местоположение, принимая сигналы со спутников, и с помощью определенных алгоритмов измеряет время прихода каждого сигнала. Затем эти данные используются для триангуляции положения устройства в пространстве — это называется время-ориентированной навигацией. Следовательно, чем точнее часы, тем точнее будет основанная на них навигационная система. Однако, несмотря на простоту принципа, у GPS-систем есть серьезные недостатки. Например, их сигналы можно глушить или подменять с помощью ложных сигналов, что делает их уязвимыми в военное время. Кроме того, GPS неэффективно работает под водой или под землей.
Для таких боевых машин, как подводные лодки, использование GPS представляет собой настоящую проблему, поскольку для получения сигнала им необходимо всплывать на поверхность, что делает их крайне уязвимыми. Для решения этой проблемы современные субмарины используют атомные часы, которые обладают исключительной точностью. Их принцип работы основан на измерении колебаний электронов вокруг атомов. Однако ученые полагают, что другой тип устройств — ядерные часы, использующие колебания атомных ядер, — может быть в 10–1000 раз точнее. Это стало бы революционным прорывом, поскольку атомные ядра гораздо стабильнее электронов и меньше подвержены влиянию температуры, внешних вибраций, магнитных полей и других факторов.
Для достижения этой цели исследовательская группа обратилась к торию-229. Этот элемент уникален тем, что его ядро вибрирует на очень низком энергетическом уровне, что делает его относительно легким для мониторинга и измерения. Однако для таких измерений требуются сверхточные ультрафиолетовые лазеры с длиной волны около 148 нанометров (если быть точным — 148,3 нм). Произвести такой лазерный свет чрезвычайно сложно, и именно здесь на сцену выходит новый кристалл. Как объясняет команда ученых, разработанный ими кристалл способен преобразовывать лазерный свет в ультрафиолетовое излучение с очень короткой длиной волны — 145,2 нанометра. Это значение меньше требуемых 148,3 нм, однако оно превосходит предыдущий мировой рекорд в 150 нм, что является серьезным достижением.
Ученые пояснили, что фторированное боратное соединение позволяет повысить мощность лазерного света до рекордно короткой длины волны в 145,2 нанометра. Эта длина волны достаточно мала, чтобы удовлетворить ключевое требование для создания сверхточных портативных часов, которые в настоящее время разрабатываются в США, Китае и других странах. Если заветное значение когда-нибудь будет достигнуто, это обеспечит возможность чрезвычайно точного определения местоположения методом «мертвой реконструкции», который основывается на сравнении данных о скорости, направлении и времени в пути. Кроме того, теоретически можно будет использовать сигналы из других источников, таких как звезды, пульсары или радиосигналы, в качестве навигационных ориентиров. Если эту технологию удастся освоить, подводные лодки смогут свободно ориентироваться под водой без необходимости всплытия. Это также окажет серьезное влияние на другие технологии, включая ракеты, которые смогут стать неуязвимыми для навигационных помех. Для космических аппаратов разработка открывает возможность автономной навигации в глубоком космосе без необходимости получать корректировки с Земли.