A műszer lényegi eleme egy kb. 60 cm hosszú torziós szálon, arra merőlegesen felfüggesztett kb. 40 cm hosszú alumíniumrúd (amit ingakarnak nevezünk). A kar két végére két, egyenként 30 g tömegű platinahengert rögzítettek. A műszer ebben az elrendezésben a torziós szálra teljesen szimmetrikus, így, amennyiben ugyanakkora nehézségi erő hat a testekre, az inga nyugalomban marad. A nehézségi gyorsulás azonban térben változik, az eltérésnek (változásnak) az ingakar vízszintes síkjába eső összetevője az ingakart elfordítja, és forgási lengésbe hozza. Így az eszköz (a vízszintes síkban jelentkező érzékenysége révén) a szintfelület görbületi viszonyainak mérésére alkalmas, amely (az Eötvös-tenzor elemeivel kifejezve) az ún. horizontális gradiensekkel, a ∂2W∂x2 , ∂2W∂y2 és ∂2W∂x∂y gradiensekkel mutat függvénykapcsolatot.

 

Ezáltal a műszer pusztán felszíni mérések alapján mélységi tömeganomáliák meghatározására, így fúrás nélküli nyersanyagkutatásra adott lehetőséget. Az Eötvös-inga az 1920-as évektől kezdődően forradalmasította a szénhidrogén-kutatást, és szerte a világon ismertté vált. A modern gyakorlati geofizika akkor született meg, amikor a feltérképezett gradiensekből felszín alatti geológiai szerkezeteket mutattak ki a mért fizikai tulajdonságok alapján. Ezzel az Eötvös-inga a világ első nyersanyagkutató geofizikai eszköze lett. (Az Eötvös-ingával kapcsolatban a tisztelt olvasó részletesen tájékozódhat Szabó Zoltán [1999], Völgyesi Lajos [2019] és Földváry Lóránt és szerzőtársai [2019] írásaiból.)

A GOCE-műhold méréseit a műhold tömegközéppontjában elhelyezett célirányos fedélzeti műszer, az űrgradiométer végezte. Az űrgradiométer három pár (tehát összesen hat) gyorsulásmérőt jelent, amelyeket a tömegközépponttól azonos távolságra (25 cm-re) három, egymásra merőleges térbeli irány mentén helyeztek el (2. ábra).

 

A GOCE-műhold nagyon alacsony (220–270 km közötti) pályájának köszönhetően finom (pár 100 km-es) felbontásban ismertük meg a nehézségi erőteret. Ez hiánypótló eredmény, korábban műholdas mérésekből csak a durvább (1000 km‑es léptékű), míg terepi mérésekből pedig csak a helyi (néhány 10 km-es kiterjedésű) formák voltak megbízhatóan megismerhetők. A GOCE segítségével viszont a nehézségi erőtér közepes formái is ismertté váltak az egész Földre vonatkozóan.

A GOCE (a műholdas technológiák viszonylatában) kiemelkedően finom felbontásával lehetővé tette, hogy földfelszíni mérésekkel együttesen feldolgozva a nehézségi erőtér egész Földet jól jellemző modelljét állítsák elő. A jelenlegi legkorszerűbb, globális nehézségierőtér-modell, az EGM08 alapját a GOCE nehézségitérerősség-gradiensei adták. Ezeket nagyszámú terepi (földfelszíni) méréssel együttesen feldolgozva a nehézségi erőtér néhány 10 m-es felbontású meghatározásra adtak lehetőséget (Pavlis et al., 2012).

Összefoglalásként megállapítható, hogy ahogy Eötvös Loránd korszakalkotó találmánya, az Eötvös-inga a maga idejében forradalmasította a nyersanyagkutatást, úgy napjainkban az ebből kifejlődött műholdas gravimetria rendkívül pontos mérései hasonlóan fontos szerepet játszanak a földtudományokban, hozzásegítve a kutatókat a Földünk felszínén és belsejében zajló folyamatok egyre jobb megismeréséhez. (A GOCE-műholdról további ismeretek találhatók magyarul Reiner Rummel [2002] és Földváry Lóránt és szerzőtársai [2015] munkáiban.)

 

A transzformatív technológiák (TransTech) közül kiemelkedő eredmények várhatóak az ultrahideg atomi felhőkön végzett interferometriai mérések (Cold Atom Interferomety, CAI) alkalmazásával (Hauth et al., 2014). Az interferometriai méréseket az atomok hullámtulajdonsága alapozza meg. A jelenlegi méréstechnikák „hideg”, néhány mikrokelvin (1 μK = 10−6 K) hőmérsékletű felhőket alkalmaznak. A tipikusan 103–107 atomot tartalmazó, vákuumban lézeres hűtés segítségével preparált mikroszkopikus méretű felhő a levegőnél 4–6 nagyságrenddel kisebb sűrűségű gáz. Néhány nagyságrenddel tovább hűtve, a nanokelvines (1 nK = 10−9 K) tartományban az atomi hullámcsomagok már átlapolódnak (az atomi de Broglie-hullámhossz a hőmérséklet csökkentésével nagyobbra nő, mint az atomok közötti távolság), amely fázisátalakuláshoz vezet (Sörlei et al., 2005). Az átmenet során kialakuló kvantumgázban az atomok – ellentétben a klasszikus gázzal – megkülönböztethetetlenek, és közösen töltenek be egy makroszkopikus kvantumállapotot (egész spinű atomok esetén Bose–Einstein-kondenzátum, feles spinű atomok esetén Fermi-gáz). Kvantumos gázok interferométerekben további előnyöket nyújthatnak (Gaaloul et al., 2014).

A CAI-technológiától a műholdas gravimetriában is átütő eredményeket várhatunk. Egyelőre azonban ennek eléréséhez számos technológiai kihívást kell megoldani. Kihívás az ultrahideg atomok preparációjához és manipulációjához szükséges lézeres technikák kompakt, az űrtechnikával kompatibilis megvalósítása. Ennek jegyében, amolyan köztes lépcsőfok gyanánt, egy CAI-technológiát fedélzetén működtető, tudományos célú műholdat tervez megvalósítani az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA), amelynek célja a CAI-alapú gravitációs érzékelők űrbeli megvalósíthatóságának és alkalmazhatóságának vizsgálata, az elméleti lehetőségek gyakorlatba ültethetőségének bizonyítása. Erre a jövőbeli műholdra Quantum Pathfinder Mission munkanéven hivatkoznak, és a jelen tervek szerint 2025 és 2035 között szeretnék megvalósítani.

A Quantum Pathfinder Mission műhold tervezése során értelemszerűen a CAI-technológia eddigi, földi alkalmazásaiból, annak eredményeiből indulnak ki a fejlesztők. A CAI-technológia laboratóriumi körülmények között már jól bevált eszköze a tudományos kutatásoknak, sőt terepen használható eszközök is rendelkezésre állnak (Ménoret et al., 2018). Ugyanakkor az űrben való alkalmazás egészen más környezetet jelent. Mikrogravitációs környezetben fogják a méréseket elvégezni, ami a földfelszíni „nagy” térerősség mellett végzett mérésekhez képest sokkal kedvezőbb körülményeket jelent a műszer számára. A szimulációk szerint a mikrogravitációs környezetben várhatóan nagyságrendekkel növekszik a CAI-technológia érzékenysége, de ezt alátámasztani csak az űrben, egy erre a célra telepített eszközzel lehet (éppen ezt a célt hivatott beteljesíteni a Quantum Pathfinder Mission). A küldetés megvalósítására számos elképzelés született már, ezek közül talán a legkiemelkedőbb az európai (főleg német és francia) együttműködésben tervezett CARIOQA-projekt (Lévèque et al., 2023).

Ha a Quantum Pathfinder Mission sikerrel jár, és a CAI-technológia űrbeli alkalmazhatóságának validálása megtörténik, a tapasztalatok bedolgozásával megindulhat a következő generációs gravitációs műhold, az NGGM-koncepciók közül a legígéretesebb kidolgozása, pontos paraméterezése, a fejlesztések megkezdése. A jelöltek között található a CAI-gradiometria, tehát az atominterferometria-alapú gradiensmérés műholdas megoldása, a GOCE mérési koncepciójának CAI-technológiai kivitelezése. Mint korábban láttuk, a GOCE-űrgradiométer a gyakorlatban differenciálisan, három egymásra merőleges kar mentén, ultraérzékeny elektrosztatikus gyorsulásmérőkkel végzett gyorsulásmérést jelent, amely mérések alapján az 5–100 mHz-es mérési sávszélességben az Eötvös-tenzor valamennyi komponense 10–20 mE ∙ H−1/2 közötti érzékenységgel áll rendelkezésre. Ezen gradiensekből a geoidot 1–2 cm-es pontossággal, mintegy 100 km-es térbeli felbontással lehetett meghatározni.

 

 

Mindkét CAI-graviméter a Raman-lézersugarak iránya mentén fellépő, α gyorsulás hatására a különböző gerjesztettségi állapotú atomok által bejárt útvonalak mentén fellépő Φ = kaT2 mértékű fáziskülönbséget észleli, ahol T pedig a két egymást követő Raman-impulzus közötti szabad időfejlődés, más néven interrogációs idő. Két ilyen, D távolsággal egymástól elválasztott interferométerrel végzett differenciális gyorsulásmérés lehetővé teszi a gyorsuláskülönbség, azon keresztül pedig a WD gradiens értékének a kinyerését a ΔΦ = Φ2 − Φ1 = k(α1 – α2)T2 = kWDDT2 fáziseltolódás-különbségből, ahol α1 és α2 a hidegatom-felhők által a két CAI-graviméterben tapasztalt gyorsulások.

Összehasonlítva a CAI-gradiometriát a GOCE-űrgradiometriával, jelentős előnyt biztosít a CAI-gradiometriának a mérések zajának spektrális eloszlása. A GOCE-gradiensek ugyanis az elektrosztatikus gyorsulásmérők méréstechnikai korlátai miatt rosszul teljesítettek az alacsony frekvenciákon. Az alacsony frekvenciájú zaj hatásának ellensúlyozására speciálisan kialakított dekorrelációs szűrőket kellett alkalmazni, ezekkel a GOCE-gradiométerek zajának mesterséges fehérítésére törekedtek. Ezzel szemben egy CAI-gradiométer méréseit eleve fehér zaj jellemzi, ennek megfelelően a gradienseket is a gravitációs tér meghatározása szempontjából valamennyi releváns frekvencián azonos mértékű zaj jellemzi, amivel várhatóan mintegy 5 mE ∙ Hz−1/2 pontossággal lehet majd a gradienseket meghatározni.

A 3. ábrán látható, hogy a két CAI-graviméter számára ugyanaz a magneto-optikai csapda adja a hideg atomokat. Ugyanannak az atomoptikai eszköznek a használata a két hidegatom-felhő kezelésére biztosítja, hogy a két felhőben megjelenő azonos hatások kioltják egymást, és nem jelennek meg a mért gyorsuláskülönbség értékében; más szóval a gravitációs gradiométer lehetővé teszi a közös módusú zajforrások (pl. a tükör rezgései) nagyfokú kiszűrését, hibahatásának minimalizálását.

A jelenlegi földi CAI-gradiométerek érzékenysége legfeljebb néhány 10 E × Hz−1/2. Az érzékenység fokozásának egyik fő korlátja az atomok 1g környezetben történő szabadesése miatti korlátozott lekérdezési időtartam. Mikrogravitációs környezetben több nagyságrendnyi javulás várható, mivel az érzékenység a kölcsönhatási idő négyzetével változik. További javulást eredményez, ha a Raman-osztókat olyan fényimpulzus-sorozatokkal helyettesítjük, amelyek többszörös foton-visszaverődést eredményeznek, és így növelik az atomok útvonala közötti távolságot az interferométerben.

Érdemes kiemelni, hogy az interrogációs idő növekedése azonnali hatással lehet a mérés ismétlési gyakoriságára. Kiszámítható, hogy egy tipikus interferométer-fázis-zaj (5 s interrogációs idő és 50 cm-es műszerbázis esetén) mrad/lövés szinten a gravitációs gradiens érzékenységének mE/lövés nagyságrendű megváltozását okozza. Az ilyen nagy „single-shoot” érzékenység kihasználásához nagy mérési sebességre van szükség. A műszer-geometria megváltoztatása nélkül ez úgy érhető el, hogy a hidegatom-felhők előállításának ciklusidejét lényegesen az interferométer interrogációs ideje alá csökkentve, egyszerre több atomi felhőt propagáltatunk az interferométerben. Ekkor nem a geometria által meghatározott interrogációs idő, hanem az atomi felhők beküldésének periódusa határozza meg a mérés gyakoriságát. A mintegy 1 s előállítási idő alacsony, mE × Hz−1/2 nagyságrendű érzékenységet eredményezne. A nagy érzékenység mellett egy ilyen CAI-gradiométer kiváló hosszú távú stabilitást biztosítana. Ez utóbbi tulajdonsága a hullámfüggvény osztásához használt lézer frekvenciájának pontosságától függ, azzal szabályozható. Ezzel abszolút pontos mérések valósíthatók meg, kalibrálás nélkül. A stabil műszerjárás, annak a lézer-interferométer esetében ismert esetleges jellegének a hiánya azt is eredményezné, hogy a műszer zaja alacsony frekvenciákon (azaz 1 mHz alatt) is alacsony, ellentétben az elektrosztatikus gyorsulásmérőkkel, amelyeknél 10 mHz alatt a mérési zaj gyorsan növekszik.

Összességében, a műholdas gravimetria áthelyezése interferometriai alapokról atom-interferometriára önmagában is rengeteg előnnyel járna, ami differenciális elrendezés esetén, egy CAI-gradiometriai megoldás során még erősebben jelentkezik. Mindezek fényében komoly esély van arra, hogy a CAI-gradiometria egy jövőbeli NGGM-műhold fedélzetén meg is valósuljon.