Nos últimos anos, os sistemas globais de navegação por satélite têm demonstrado repetidamente sua vulnerabilidade a interferências e falsificações de sinal, o que torna necessária a busca por métodos alternativos para determinar coordenadas. Um desses pontos de referência pode ser a própria Terra: montes submarinos, fossas oceânicas e irregularidades na crosta terrestre criam variações pequenas, porém consistentes, em seu campo gravitacional. Especialistas australianos do Q-CTRL aprenderam a explorar essas anomalias para navegação, utilizando a mecânica quântica.
Fonte da imagem: Q-CTRL
Montanhas submarinas, fossas oceânicas, plataformas continentais e irregularidades na densidade da crosta terrestre alteram ligeiramente a magnitude da gravidade, criando um “relevo” espacial característico do campo gravitacional. Comparando uma sequência de medições com um mapa pré-compilado de anomalias gravitacionais, um sistema de navegação pode determinar a localização da embarcação e corrigir o erro que inevitavelmente se acumula na navegação inercial.
A empresa australiana Q-CTRL anunciou o desenvolvimento em um artigo recente no arXiv.org. Segundo a empresa, ela demonstrou pela primeira vez a navegação de uma embarcação marítima sem o uso de sinais de satélite, determinando as coordenadas com base em irregularidades no campo gravitacional da Terra. O novo método, chamado GravNav, baseia-se no sistema MagNav, desenvolvido anteriormente pela Q-CTRL, que navega de forma semelhante utilizando características do campo magnético. Para a navegação marítima, a abordagem baseada na gravidade é particularmente conveniente devido à disponibilidade de mapas bastante detalhados de anomalias gravitacionais oceânicas.
Os testes foram realizados no Mar de Coral, a bordo de uma embarcação de 29 metros. Um gravímetro quântico, instalado diretamente na cabine de passageiros, media continuamente a aceleração local da gravidade, e o sistema de navegação comparava o perfil resultante com um mapa de anomalia gravitacional. Ao longo de um percurso de 83 quilômetros, o erro de posicionamento foi mantido em aproximadamente uma milha náutica (1,85 quilômetros). De acordo com a Q-CTRL, isso representa uma melhoria de mais de dez vezes no desempenho dos sistemas de navegação de reserva utilizados na ausência de GNSS.
A tecnologia desenvolvida pela Q-CTRL é baseada na física quântica.Um sensor no qual os átomos servem como elemento sensor. O gravímetro utiliza uma nuvem de átomos de rubídio-87, cuja interação é controlada por pulsos de laser. Sob a influência da gravidade, os átomos caem livremente, e a defasagem resultante permite medições extremamente precisas da aceleração gravitacional local. Os valores obtidos são então comparados com um mapa de anomalias gravitacionais, auxiliando na correção das coordenadas calculadas pelo sistema de navegação inercial.
O principal desafio para um dispositivo quântico tão sensível a bordo de uma embarcação são as vibrações, oscilações e acelerações constantes. Para compensar essas interferências, o sensor quântico foi combinado com um acelerômetro convencional, e o sistema utiliza uma unidade de medição inercial de navegação separada. Os acelerômetros clássicos são eficientes no rastreamento de movimentos rápidos, enquanto o sensor atômico fornece um valor de referência estável a longo prazo: em um teste estacionário de 56 horas, a referência ao sensor atômico reduziu a deriva a longo prazo em aproximadamente 70 vezes em comparação com o uso exclusivo de um canal clássico.
Igualmente importante, o equipamento funcionou com sucesso em uma cabine de passageiros comum, sem necessidade de estabilização de temperatura especial, plataforma giroscópica ou calibração periódica. Em outras palavras, o experimento demonstrou que o gravímetro quântico é capaz de operar não apenas em laboratório, mas também a bordo de uma embarcação em movimento, em condições marítimas reais. Durante testes individuais, o sistema permaneceu operacional em condições de mar agitado de até 4.
A Q-CTRL já havia testado seu gravímetro quântico anteriormente.Uma plataforma de navegação para aeronaves e veículos terrestres foi desenvolvida, utilizando o sistema MagNav, que se baseia no campo magnético da Terra. Segundo a empresa, até 2025, a precisão será até 100 vezes maior do que as alternativas tradicionais de GPS de última geração. Os desenvolvimentos da Q-CTRL já atraíram o interesse militar: a empresa colabora com a DARPA, a Unidade de Inovação de Defesa do Departamento de Defesa dos EUA, o Ministério da Defesa da Austrália, a Marinha Real Britânica e outros parceiros da AUKUS.