Carioqa: nuove tecnologie quantistiche nello spazio per l’osservazione della Terra

Una nuova missione CNES, chiamata Carioqa, prevede di inviare un accelerometro quantistico nello spazio. Intrappolando gli atomi a temperature molto basse possiamo misurare con precisione il campo gravitazionale terrestre, cosa che dovrebbe permetterci di comprendere meglio i meccanismi che influenzano il clima e i fenomeni che avvengono all’interno del nostro pianeta.

Osservare la Terra dallo spazio è diventata una leva essenziale per proteggere il nostro pianeta. In particolare, il suo campo gravitazionale rivela informazioni cruciali sulla distribuzione dell’acqua e sui meccanismi che governano il clima: ad esempio, quando un ghiacciaio si scioglie o il monsone colpisce un continente, la distribuzione della massa e quindi il campo gravitazionale cambia.

Per affinare le misurazioni del campo gravitazionale terrestre, potrebbe emergere una rivoluzione tecnologica grazie alle tecnologie quantistiche.

È questa l’ambiziosa sfida che la missione spaziale CARIOQA intende raccogliere, mandando in orbita il primo accelerometro quantistico, un passo fondamentale verso le missioni gravimetriche spaziali di nuova generazione. Il progetto completerà la fase di fattibilità alla fine dell’anno, con il lancio previsto per il 2030.

Missioni gravimetriche spaziali

Il campo gravitazionale della Terra varia in base alla regione e fluttua nel tempo. Il suo studio è essenziale in vari campi come la geofisica (monitoraggio dei movimenti tettonici), l’oceanografia (monitoraggio del livello degli oceani) e la navigazione (guida di imbarcazioni e sottomarini).

Prima dell’avvento della gravimetria spaziale, le misurazioni della gravità terrestre erano locali e di copertura limitata, senza la possibilità di monitorare globalmente e continuamente le variazioni del campo gravitazionale.

Dagli anni 2000, la missione spaziale CHAMP ha permesso di misurare la gravità utilizzando un satellite orbitante dotato di accelerometro. La posizione di un satellite in orbita, infatti, dipende dal campo gravitazionale terrestre e da altri tipi di accelerazioni, legate ad esempio all’attrito nell’atmosfera.

Pertanto, per misurare con precisione il campo gravitazionale terrestre e le sue variazioni, misuriamo con precisione la posizione del satellite CHAMP utilizzando GNSS (tecnologia GPS), che correggiamo utilizzando un accelerometro di bordo misurando gli effetti non gravitazionali subiti dal satellite.

Nel 2002, la missione GRACE ( Gravity Recovery and Climate Experiment ) ha fornito le prime mappe temporali del campo gravitazionale terrestre, grazie a due satelliti in orbita bassa, ciascuno dotato di un accelerometro. Seguendo la variazione della distanza tra i due satelliti e scartando le accelerazioni non gravitazionali, deduciamo le fluttuazioni del campo gravitazionale. Nel 2018, la precisione di questa misurazione della distanza tra i due satelliti è stata ulteriormente migliorata grazie a un interferometro laser a bordo della missione GRACE Follow-On.

La restituzione del campo gravitazionale su scala globale offre nuove prospettive nel campo delle scienze della Terra, consentendo una migliore comprensione e anticipazione dei cambiamenti climatici.

Accelerometri quantistici: una svolta tecnologica per la misurazione del campo gravitazionale

Le attuali missioni di gravimetria spaziale si basano sulla misurazione delle accelerazioni non gravitazionali utilizzando accelerometri di precisione. Questi strumenti misurano i movimenti di una massa di prova, ad esempio un cilindro metallico di circa poche centinaia di grammi, per rilevare con precisione le forze in gioco. Oggi questo principio può essere applicato sostituendo questa massa con una nuvola di atomi gassosi nel vuoto, manipolati dai laser, per sviluppare accelerometri quantistici.

Il contributo della fisica quantistica sta nell’eccezionale stabilità della misura nel tempo: come gli orologi atomici, gli accelerometri quantistici sfruttano le proprietà interne degli atomi per offrire una precisione che rimane costante, a differenza degli accelerometri convenzionali, le cui misure tendono alla deriva.

In una camera a vuoto, un gas di atomi di rubidio è intrappolato e i movimenti degli atomi all’interno della nuvola vengono rallentati utilizzando laser controllati in modo molto preciso. La riduzione della velocità degli atomi è associata ad un abbassamento della temperatura: si parla allora di nubi di atomi freddi. In queste condizioni estreme, prossime allo zero assoluto, gli atomi rivelano un comportamento governato dalle leggi della fisica quantistica: la materia si comporta come un’onda. Come le onde sulla superficie degli oceani, le onde di materia possono sommarsi o annullarsi a vicenda per creare un fenomeno di interferenza quantistica.

È su questo principio che si basa la tecnologia degli interferometri atomici che verranno utilizzati per misurare l’accelerazione a bordo del CARIOQA. Gli impulsi laser vengono utilizzati per dividere, manipolare e ricombinare atomi freddi in caduta libera, creando così un’interferenza che contiene l’informazione di interesse per la misurazione: l’accelerazione relativa tra la nuvola di atomi, in caduta libera nella camera, e il campo laser che lo interroga.

Se oggi le prestazioni dei gravimetri quantistici sono migliori di quelle dei gravimetri classici in determinate condizioni ( migliore risoluzione delle basse frequenze spaziali per esempio ), non sono sempre facili da stimare.

CARIOQA: una missione dimostrativa per colmare il gap tecnologico

Gli accelerometri atomici sono stati studiati in laboratorio fin dagli anni ’90, avendo dimostrato la loro capacità in test di fisica fondamentale su aeroplani che sviluppano la navigazione inerziale, o addirittura studiando la gravità sulle pendici dell’Etna.

Il prossimo passo? L’orbita terrestre!

Il progetto CARIOQA, avviato nel 2022, mira a dimostrare la fattibilità di questa tecnologia a bordo di un satellite, preparandosi per le future missioni gravimetriche spaziali. Questo ambizioso progetto riunisce 17 partner, tra cui le agenzie spaziali francese e tedesca (CNES e DLR), attori industriali come Airbus, Exail, Teletel e Leonardo, nonché un consorzio di laboratori europei. La prima parte di CARIOQA permette di sviluppare un prototipo in vista dello strumento finale, destinato alle fasi di volo.

È combinando le competenze delle agenzie spaziali, dell’industria e dei laboratori che l’Europa si pone in prima linea in questa rivoluzione tecnologica, aprendo la strada a una nuova era di esplorazione e comprensione della gravità terrestre.