| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Prosadí se levný glasgowský gravimetr?
Petr Kulhánek
Gravimetry jsou šikovná zařízení pro měření gravitačního pole Země. Většina z nich vyhodnocuje polohu tělíska zavěšeného na pružině a z prodloužení pružiny určuje hodnotu tíhového zrychlení. Existují ale i vytříbená měřidla gravitačního pole založená na kvantových principech (viz například AB 5/2015). Opravdu citlivé gravimetry dokáží změřit jemné změny tíhového zrychlení v řádu 10−8 m/s2. Jejich pořizovací cena je ale přes čtvrt milionu korun. Na Glasgowské univerzitě vyvinuli nový gravimetr, který patří do jakési střední třídy. Nový gravimetr je mnohem přesnější než klasické pružinové gravimetry a asi desetkrát horší než špičkové kvantové gravimetry, ale je tisíckrát levnější. Další výhodou jsou malé rozměry a nízká hmotnost nového zařízení. Nejmenší dosavadní gravimetry měly hmotnost kolem kilogramu a rozměry v desítkách centimetrů. Nový gravimetr je součástí miniaturního čipu a bude schopen měřit tíhové pole z běžných dronů.
Konvenční gravimetry jsou drahá a relativně velká zařízení.
Zdroj: Gravity Consult GmbH
|
Gravimetrie – měření síly gravitačního pole. V důsledku nehomogenit nebývají gravitační pole těles jednoduchá, čehož se dá využít právě ke zjišťování nehomogenit skrytých pod povrchem. MEMS – mikro-elektro-mechanické systémy, technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky se pohybující části. Technologie využívá výrobní procesy používané pro výrobu integrovaných obvodů (fotolitografii, leptání, epitaxi atd.). Systém obsahuje elektronickou část (např. A/D převodník) a mechanické komponenty (např. malý objekt na pružině), které jsou často umístěny na jednom substrátu a uzavřeny v pouzdře, takže se uživateli jeví jako jediná součástka – například akcelerometr, gyroskop, senzor tlaku atd. GRAIL – dvojice amerických sond (Ebb a Flow), jejichž hlavním úkolem bylo mapování gravitačních anomálií Měsíce. Odstartovaly 10. září 2011 a na Měsíc plánovaně dopadly 18. prosince 2012. Během pozorování létaly po kruhové dráze ve výšce pouhých 55 km nad povrchem Měsíce. GRACE – Gravity Recovery and Climate Experiment. Dvojice družic NASA vypuštěných v roce 2002, které detailně měří gravitační pole Země. Družice byly vyvinuty Texaskou univerzitou za přispění německých odborníků. Přesnost měření tíhového zrychlení dosáhla 10−3 m/s2. GOCE – první evropská družice určená pro mapování zemského gravitačního pole s bezprecedentní přesností. Název sondy je zkratkou z anglického Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer. Družice startovala v roce 2009 byla funkční do roku 2013. Přesnost měření tíhového zrychlení byla 10−5 m/s2 a zemský geoid byl proměřen s přesností několika centimetrů. |
Využití gravimetrů
Takové gravimetry jsou velmi užitečná zařízení. Na oběžné dráze se využívají k podrobnému mapování gravitačního pole Země a k určení tvaru zemského geoidu. Americká družice GRACEGRACE – Gravity Recovery and Climate Experiment. Dvojice družic NASA vypuštěných v roce 2002, které detailně měří gravitační pole Země. Družice byly vyvinuty Texaskou univerzitou za přispění německých odborníků. Přesnost měření tíhového zrychlení dosáhla 10−3 m/s2. z roku 2002 měřila tíhové zrychlení s přesností 10-3 m/s2. Evropská kosmická agentura ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. vyslala na oběžnou dráhu v roce 2009 družici GOCEGOCE – první evropská družice určená pro mapování zemského gravitačního pole s bezprecedentní přesností. Název sondy je zkratkou z anglického Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer. Družice startovala v roce 2009 byla funkční do roku 2013. Přesnost měření tíhového zrychlení byla 10−5 m/s2 a zemský geoid byl proměřen s přesností několika centimetrů., která dokázala tíhové zrychlení měřit dokonce s přesností 10-5 m/s2, což umožnilo proměřit tvar zemského geoidu s bezprecedentní přesností několika centimetrů (viz AB 38/2008). Družicová měření mohou také odhalit podpovrchová naleziště minerálů, jejichž hustota je jiná než u okolní horniny, a proto je nad nimi nepatrně odlišné tíhové zrychlení.
Měření menších anomálií se provádí přímo na zemském povrchu. Citlivé gravimetry dokáží odhalit podpovrchové dutiny (například staré důlní štoly, jeskynní prostory nebo podzemní bunkry), kapsy s podpovrchovou vodou, horniny bohaté na kovy i zasypané architektonické památky. Gravimetry také umožňují sledovat slapové sílySlapová síla – rozdíl gravitačních sil působících na různé části tělesa. Například Země působí na naše nohy větší gravitační silou než na hlavu, rozdíl je ale zanedbatelný. Slapové síly Měsíce působící na Zemi jsou příčinou přílivu a odlivu a také příčinou výměny momentu hybnosti mezi Měsícem a Zemí, která vede k postupnému vzdalování Měsíce. Obdobná slapová vazba existuje mezi Zemí a Sluncem a je pravděpodobně hlavní příčinou současného vzdalování Země od Slunce. Ve větších měřítkách působí slapové síly například při prolínání dvou galaxií. Měsíce a Slunce působící na zemské nitro. Nejpřesnější jsou kvantové gravimetry, které dosahují přesnosti měření tíhového zrychlení až 10-8 m/s2, což umožní měřit i závislost tíhového zrychlení na výšce na vzdálenosti několika decimetrů.
Zatím nejpřesnější mapování tíhového zrychlení prováděla
evropská družice GOCE.
Zdroj: ESA.
Glasgowský gravimetr
Nový gravimetr vyvinutý na Glasgowské univerzitě je založen na technologii MEMSMEMS – mikro-elektro-mechanické systémy, technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky se pohybující části. Technologie využívá výrobní procesy používané pro výrobu integrovaných obvodů (fotolitografii, leptání, epitaxi atd.). Systém obsahuje elektronickou část (např. A/D převodník) a mechanické komponenty (např. malý objekt na pružině), které jsou často umístěny na jednom substrátu a uzavřeny v pouzdře, takže se uživateli jeví jako jediná součástka – například akcelerometr, gyroskop, senzor tlaku atd., tedy miniaturizované mechanické součástce. Výsledkem je jednoduché, levné, malé a snadno ovladatelné zařízení. Základem gravimetru je centimetrový rámeček, v němž je na dvou pružinách umístěna testovací hmotnost. V horní části je systém držen pružinovým raménkem. Asymetrické umístění tří pružin má za důsledek to, že kolem rovnovážné polohy reaguje testovací hmotnost na působící sílu nejvíce (viz obrázek). Testovací hmotnost, rámeček i pružiny jsou vyrobeny z křemíkuKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). tloušťky 200 μm standardním technologickým postupem pro výrobu MEMS součástek.
Měřicí rámeček pro nový gravimetr. Testovací hmotnost je zavěšena asymetricky na třech pružinách. Při takovém uspořádání je v okolí rovnovážné polohy odezva na působící sílu nejvyšší. Testováno bylo i uspořádání se čtyřmi symetricky osazenými pružinami, ale v tomto případě nebyla odezva na sílu ideální. Zdroj: Glasgowská univerzita/Nature.
Poloha testovacího tělesa je snímána opticky. LEDLED – Light Emitting Diode, světlo emitující dioda. LED je polovodičová optoelektronická součástka, která emituje nekoherentní monochromatické světlo při průchodu proudu v propustném směru. Emise světla vzniká na základě elektroluminiscence. dioda osvětluje zepředu rámeček s testovací hmotností a světlocitlivá dioda umístěná za rámečkem snímá vržený stín. Poloha testovací hmotnosti je dána rovnováhou mezi aktuální hodnotou tíže a silou, kterou pružiny tíhu testovací hmotnosti vyrovnávají. Veškeré součástky jsou umístěné na hliníkové konstrukci, kolem níž je měděný, dobře tepelně vodivý obal. Chování pružin a testovací hmotnosti totiž závisí na teplotě, proto musí být uvnitř měřicího zařízení udržována stálá teplota. O to se stará teplotní čidlo a miniaturní tepelný zdroj. Nový gravimetr je konstrukčně podobný akcelerometrům používaným v chytrých mobilech. Inovativní uspořádání součástek umožnilo tisícinásobnou citlivost oproti mobilním zařízením. Přesto je jeho přesnost desetinásobně horší než u špičkových komerčně vyráběných gravimetrů. To ale vyváží velmi nízká pořizovací cena, miniaturní rozměry a nízká hmotnost.
Glasgowský gravimetr. Nalevo nahoře jsou snímky raménka a testovací hmotnosti pořízené SEMSEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů. mikroskopií. Na dolní fotografii je patrné uspořádání součástek upevněných speciálním lepidlem. Napravo je schéma prototypu nového gravimetru. Zdroj: Glasgowská univerzita/Nature.
Závěr
Prototyp nového gravimetru byl důkladně testován v laboratoři. Po několik dní měřil slapové síly způsobené především Měsícem. Dobře byla patrná dvanáctihodinová perioda. Stejný test byl proveden znova po čtyřech měsících. Ukázalo se, že zařízení je stabilní a i po delší době dává téměř shodné výsledky. Z testů vyplynulo, že citlivost prototypu je 4×10−7 m/s2 (40 mikrogalů) a jeho rezonanční frekvence byla 2,3 Hz. Špičkové komerční gravimetry dosahují citlivosti až 2×10-8 m/s2. Zařízení je ale dostatečně citlivé pro běžná měření tíhového pole. Je schopné například detekovat tunel o průměru 1,6 metru až do hloubky dvou metrů, což je dostatečné pro vyhledávání kabelových kolektorů pod silnicemi a chodníky. MEM součástka umístěná v gravimetru dokáže také monitorovat seismickou činnost, takže stejné zařízení může fungovat současně jako gravimetr i seismometr. Nízká hmotnost umožní provádět měření nad nedostupnými oblastmi z dronů. Největší výhodou je samozřejmě pořizovací cena v řádu stokorun. Současná špičková komerční zařízení stojí přes čtvrt milionu korun. Zdá se, že většímu rozšíření nového gravimetru nestojí nic v cestě.
Test měření slapových sil v březnu 2015. Na vodorovné ose je datum, na svislé tíhové zrychlení měřené v mikrogalech (1 gal je 1 cm/s2). Červená křivka odpovídá teoretické hodnotě předpovězené programovým balíkem TSOFT. Data jsou nefiltrovaná. Po filtrování na šum do periodicity několika desítek minut se dosáhne ještě výraznější shody. Zdroj: Glasgowská univerzita/Nature.
Odkazy
- R. P. Middlemiss et al.: Measurement of the Earth tides with a MEMS gravimeter; Nature 531, 614–617 (31 March 2016)
- Glasgow University News: Smartphone technology adapted into super-sensitive gravity detector; 31 Mar 2016
- Hamish Johnston: New gravimeter-on-a-chip is tiny yet extremely sensitive; Physics World, 30 Mar 2016
- Petr Kulhánek: Můžeme měřit zakřivení časoprostoru pomocí kvantových jevů?; AB 5/2015
- Michal Marčišovský: GOCE – mapovanie zemského gravitačného poľa; AB 38/2008
