aneb Beseda OSCAR-QUBE: kvantový senzor magnetického pole z budoucnosti

V úterý 5. října 2021 proběhla v učebně 166 beseda s naším absolventem Ing. Jaroslavem Hrubým, který se podílel na vývoji diamantového kvantového magnetometru. Přístroj byl na konci srpna vynesen raketou na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS), kde pracuje v zařízení ICE Cubes v modulu Columbus – po dobu 10 měsíců bude mapovat magnetické pole Země.

Úvodní prezentace byla věnována projektu OSCAR-QUBE od výběru, přes návrh, vývoj a testování až po kroky potřebné k vypuštění zařízení do vesmíru. Zaměřila se na technické aspekty vývoje kvantové technologie s ohledem na požadavky, které klade kosmický sektor. Zmíněny byly také týmové aspekty a organizační problémy. Úspěch této mise je krok k vývoji nových technologií a zdokonalení stávajících nástrojů, které umožní další průzkum vesmíru. Zároveň se objevují nové aplikace, v nichž mohou kvantové technologie hrát důležitou roli. Tyto aplikace se mohou lišit mezi vesmírnými aplikacemi a aplikacemi na Zemi, jako je navigace, výzkum materiálů nebo měření biosignálů.

V druhé části předvedl Jarda nadšeným posluchačům „ground model“ – funkčního „bratříčka“, který zůstal na Zemi, tedy přesnou kopii zařízení, které už je na ISS. Každý z účastníků si mohl vzít magnetometr do svých rukou a po jeho zapojení se přes brýle pro práci s laserem podívat na osvícený diamant.

Díky mnoha otázkám v závěrečné diskusi se beseda nakonec protáhla na dvě vyučovací hodiny. Studenti se tak například dozvěděli, kolik stojí vynesení 1 kg materiálu na orbitální stanici, jaký osud čeká přístroj po uplynutí vyhrazené doby pro práci na ISS, jestli je zařízení patentováno, jestli o něj už nějaká firma projevila zájem a zda jej budou dále vyvíjet. Velmi důležité byly také informace, jaké možnosti spolupráce a vzdělávání nabízí Evropská kosmická agentura ESA dětem a mládeži a jaké organizuje školské projekty.

O projektu OSCAR-QUBE

Kvantové senzory otevírají nový pohled z hlediska přesnosti, preciznosti a protokolů měření. Jedna z těchto nových technologií je založena na centru dusík-vakance (NV) v krystalové mřížce diamantu. Tuto kvantovou strukturu lze použít jako mikroskopickou ručičku kompasu s citlivostí nižší než desítky fTHz^-1/2. Magnetometry založené na této technologii fungují dokonale při pokojové teplotě a jsou známé svým velkým dynamickým rozsahem, včetně lineárního gradientu až do přibližně 0,1 T. NV centra jsou umístěna podél čtyř os krystalové mřížky diamantu, což umožňuje vektorovou magnetometrii. Odečtením spinového stavu elektronů patřících k záporně nabitým NV centrům lze odečíst magnetické pole, elektrické pole a teplotu.

Projekt OSCAR-QUBE (Optical Sensors based on CARbon materials: QUantum BElgium) tvoří multidisciplinární tým 15 studentů z univerzity v Hasseltu. Myšlenkovým autorem pokusu a současně vedoucím týmu byl právě Jaroslav Hrubý. Tento tým vyvinul přenosný kvantový magnetometr na bázi diamantu o rozměrech 10x10x10 cm. Tento magnetometr dokáže velmi přesně sledovat trojrozměrné magnetické pole, váží 420 gramů a jeho spotřeba energie je do 5 W. Magnetometr může nezávisle provádět měření, ukládat a přenášet data pro další analýzu.

V březnu 2020 projekt zvítězil v soutěži „Orbit Your Thesis!“ pořádané Evropskou kosmickou agenturou (ESA). V srpnu 2021 byl magnetometr vypuštěn na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS) a osazen v zařízení ICE Cubes v modulu Columbus uvnitř ISS. Po dobu 10 měsíců bude senzor měřit magnetické pole Země. Tím se také ověří proveditelnost této nové technologie v náročném prostředí vesmíru. Cílem je dosáhnout hranice šumu snímku 98 pTHz^-1/2 a dynamického rozsahu až 10 mT.