Żyjąc na co dzień na powierzchni Ziemi rzadko myślimy o tym jak na nas wpływa przestrzeń kosmiczna, wszak skoro sami się tam nie wybieramy, to nie ma to z nami nic wspólnego. Prawda jest jednak inna. Ziemia (a tym samym i wszyscy ludzie) znajduje się w przestrzeni kosmicznej i jest jej integralną częścią. Tak się jednak dobrze składa, że przed jej najniebezpieczniejszymi składnikami, takimi jak wysokoenergetyczne promieniowanie słoneczne lub promieniowanie kosmiczne chroni nas pole magnetyczne wytwarzane przez ciekłe jądro Ziemi.
Amerykańska Narodowa Agencja Wywiadu Geoprzestrzennego zorganizowała międzynarodowy konkurs na pomysł misji, która stworzy mapę pola magnetycznego Ziemi. Jeden z finalistów konkursu, kanadyjska firma SBQuantum oraz Spire Global postanowił opracować zupełnie nowy sposób mapowania ziemskiego pola magnetycznego za pomocą diamentów.
Czytaj także: Jak brzmi pole magnetyczne Ziemi? Przerażająco!
Wszystkie systemy nawigacji i komunikacji wykorzystywane bezustannie przez miliardy ludzi i urządzeń na Ziemi opierają się na globalnym modelu pola geomagnetycznego (WMM – World Magnetic Model) opracowywanym w NASA oraz British Geological Survey. Problem jednak w tym, że WMM podlega bezustannym zmianom wywoływanym przez ruchy w jądrze Ziemi. Tym samym sam model wymaga częstej aktualizacji, aby można było utrzymać odpowiedni poziom dokładności.
Rozwiązaniem przygotowywanym przez SBQuantum jest diamentowy magnetometr kwantowy zdolny do mierzenia siły i kierunku pola magnetycznego z wysoką precyzją i stabilnością. Urządzenie wykorzystuje efekty kwantowe do wytworzenia czerwonej poświaty wewnątrz kryształu diamentu, co z kolei pozwala na pomiar wektora pola magnetycznego.
Do budowy diamentowego magnetometru kwantowego wykorzystuje się specjalne diamenty z centrami barwnymi NV (azot-wakancja), czyli defektami sieci krystalicznej, w których pojedyncze atomy azotu zastępują atomy węgla. W strukturze krystalicznej obok atomu azotu znajduje się puste miejsce. W ten sposób powstaje para elektronów, którymi można manipulować za pomocą światła i pola magnetycznego.
Skierowanie wiązki laserowej na diament wzbudza elektrony do stanu kwantowego, który zależny jest od pola magnetycznego Ziemi. Owe elektrony emitują czerwone światło, z którego można odczytać siłę i kierunek pola magnetycznego w tym miejscu.
Urządzenie zaproponowane przez SBQuantum będzie wykorzystywało także specjalną technikę pomiaru zmian mierzonego pola magnetycznego w różnych kierunkach. To pozwoli naukowcom zidentyfikować cechy obiektów wpływających na pole magnetyczne, takich jak chociażby wszelkiego rodzaju minerały, metale, czy łodzie podwodne.
Czytaj także: Pole magnetyczne Ziemi nie było wtedy takie jak dzisiaj. Naukowcy odkryli dziwne zjawisko sprzed ponad 360 mln lat
W końcu, specjalnie przygotowane algorytmy pozwolą usunąć wszelkie szumy otoczenia powodowane przez samochody czy naziemne linie energetyczne. Dopiero tak odszumiony sygnał będzie mógł dostarczyć cennych informacji o polu magnetycznym naszej planety.
Warto tutaj pamiętać, że pole magnetyczne Ziemi nie występuje w izolacji. Bezustannie wpływa na nie strumień emitowanego ze Słońca wiatru słonecznego oraz krążące wokół Ziemi tysiące satelitów. Do odfiltrowania tego “szumu” kanadyjska firma wykorzysta algorytmy uczenia maszynowego, które zostaną wytrenowane na podstawie danych z innych czujników zainstalowanych na satelicie.
Jeżeli wszystko pójdzie zgodnie z planem, a magnetometr trafi na orbitę na pokładzie jednego z satelitów należących do Spire Global, naukowcy otrzymają precyzyjny i często aktualizowany model WMM, nieporównywalnie lepszy od wszystkich wykorzystywanych dotychczasowo.
Ostatnia faza konkursu MagQuest Challenge rozpocznie się w tym miesiącu, a wystrzelenie rozwiązań wszystkich finalistów w przestrzeń kosmiczną zaplanowano na połowę 2025 roku.
