Гироскоп нового поколения поможет с навигацией при проблемах с GPS

Исследователи из Центра квантовых инноваций A*STAR (A*STAR Q.InC), входящего в состав флагманской программы «Исследования, инновации и предпринимательство» в области полупроводников, разработали левитирующий ротор миллиметрового размера, который продолжал вращаться более 10 часов после отключения привода, продемонстрировав самые низкие потери энергии, зафиксированные для механического ротора такого размера.

Команда использовала эту платформу для демонстрации чувствительности гироскопа коммерческого уровня, заложив основу для технологий прецизионного зондирования, которые могут обеспечить навигацию в местах, где GPS недоступен, в том числе под землёй или под водой.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, предлагает решение давней проблемы в области диамагнитной левитации и создаёт новую платформу для сверхчувствительных технологий зондирования.

Механические системы, теряющие весьма мало энергии, способны регистрировать чрезвычайно слабые силы и движения, что делает их полезными для прецизионного зондирования. Хотя левитация устраняет трение, возникающее при физическом контакте, диамагнитная левитация исторически ограничивалась демпфированием вихревыми токами — механизмом, который рассеивает энергию и замедляет движение.

Команда A*STAR Q.InC преодолела эту проблему, воспользовавшись вращательной симметрией. По мере того как ротор вращается вокруг своей центральной оси, он подвергается воздействию фактически одинакового магнитного поля на протяжении всего оборота, что значительно подавляет вихревые токи, которые в противном случае замедлили бы его движение. В результате потери энергии при вращении ротора происходили примерно в 100 000 раз медленнее, чем при его боковых и вертикальных перемещениях.

Это позволило команде достичь скорости рассеивания 3,85 микрогерц — самой низкой из зарегистрированных для механического ротора миллиметрового масштаба.

Гироскопы — ключевой компонент инерциальных навигационных систем. Однако их рабочие характеристики в значительной степени зависят от стабильности вращающегося элемента, составляющего их основу. Таким образом, более стабильный гироскоп мог бы помочь транспортным средствам точно ориентироваться в течение более длительного времени без внешних сигналов.

Используя управление в режиме реального времени и точно регулируемые электростатические силы, команда разогнала ротор до 930 оборотов в минуту. В условиях высокого вакуума он продолжал вращаться более 10 часов после отключения привода.

Благодаря достигнутой стабильности платформа смогла регистрировать вращения со скоростью всего 0,0065 градуса в секунду, что соответствует уровню чувствительности коммерческого класса. Моделирование также показывает, что при дальнейшей доработке система сможет достичь более высокого уровня — навигационного класса, что открывает возможности для применения в таких областях, как автономные подводные аппараты и другие условия эксплуатации, где отсутствует доступ к GPS.

Разработанная под руководством A*STAR Q.InC, платформа сочетает в себе четыре возможности, которые редко удаётся реализовать в одной системе: пассивную левитацию в миллиметровом масштабе, работу при комнатной температуре, высокую скорость вращения и рекордно низкие потери энергии вращения в данном масштабе.