مغناطیس سنج کوانتومی چینی ها چگونه کار می کند؟

بیپ… بیپ… بیپ. فاصله زمانی بین سیگنال های فرکانس بالای سیستم سونار و پژواک های برگشتی آنها کمتر و کمتر می شود. زیردریایی در حالی که تلاش می کند از دست یک اژدر فرار کند به یک ساختار صخره ای دریایی نزدیک می شود. فرمانده زیردریایی با دقت به فاصله بین ارسال امواج و بازگشت پژواک آنها، که فاصله بین زیردریایی و صخره ها را نشان می دهد، گوش می کند. در نهایت، وقتی که صدای امواج و پژواک های آنها تقریباً یکی شده است و در آخرین لحظه، فرمانده دستور تغییر مسیر را صادر می کند و زیردریایی از مسیر صخره ها خارج می شود. اژدری هم که دنبال آنها بود به صخره ها برخورد می کند و منفجر می شود.

این صحنه یکی از سکانس های فیلم شکار اکتبر سرخ (The Hunt for Red October) محصول سال 1990 است که اهمیت صدا در جنگ زیردریایی ها را کاملاً نشان می دهد. در اعماق دریا، میدان دیدی وجود ندارد و امواج رادیویی رادار در آب بُرد بسیار کمی دارند. از طرف دیگر، امواج صوتی زیر آب بسیار سریع تر هستند تا در هوا و به همین دلیل هم سیستم سونار، اصلی ترین روش ناوبری در زیر آب و کشف شناورهای زیرسطحی دشمن در اعماق اقیانوس بوده است. اما چون حس شنوایی تنها ابزار موجود آگاهی محیطی در اعماق آب است، سخت می توان یک زیردریایی کم صدا (با آلودگی صوتی پایین) را شناسایی کرد.

امروزه زیردریایی های پنهانکار نظامی آنقدر بی صدا شده اند که تقریباً پیدا کردن آنها با سونار غیر ممکن شده و در نتیجه این زیردریایی ها در تلاش ابرقدرت ها برای کسب و حفظ کنترل بر آب های جهان اهمیت روز افزونی پیدا کرده اند.

یکی از مورد مناقشه ترین آب های جهان دریای جنوب چین است که چندین کشور مدعی حق مالکیت بر بخش هایی از آن هستند. این شرایط پُر تنش نیروی دریایی چین را وادار به اجرای طرح دیوار بزرگ زیر آبی کرده است که شامل استقرار سونارها در کف اقیانوس، گشت زنی زیردریایی های بدون سرنشین و شناورهای مجهز به میکروفون های حساس زیر آبی می شود که ورود پنهانی شناورها به آب های سرزمین چین را دشوار خواهد کرد.

چین در این مسیر حتی یک ابرسلاح جدید هم طراحی کرده است که هیچ زیردریایی ای نمی تواند از دست آن فرار کند؛ یک مغناطیس سنج کوانتومی. این سیستم به جای گوش دادن به صداهای ضعیف ناشی از عملکرد سیستم های مکانیکی زیردریایی، میدان مغناطیسی ناشی از بدنه های فلزی زیردریایی را در عمق چند صد متری کشف می کند. در این مقاله شما می توانید با این مغناطیس سنج کوانتومی آشنا شوید.

Wi-Fi در کف اقیانوس

فناوری سونار یا رادار صوتی هنوز هم مطمئن ترین شیوه کشف زیردریایی های پنهانکار است و به دو صورت بکار گرفته می شود، فعال (Active) و غیر فعال (Passive). سونار فعال همان چیزی است که در فیلم هایی مثل شکار اکتبر سرخ دیده اید. اگر امواج صوتی ارسالی با اجسام بزرگ برخورد کنند، بازتاب می کنند و به سمت منبع خود باز می گردند. سپس بر اساس تعداد امواج بازگشتی و با در نظر گرفتن سرعت می توان مشخص کرد اجسام شناسایی شده از چه نوعی هستند. اگرچه، سونار فعال، خیلی برای شناسایی مهمان های ناخوانده به درد نمی خورد. این فناوری تک جهتی است و بسیار مهم است بدانید امواج را می خواهید در چه جهتی ارسال کنید. به علاوه، سونار زیردریایی های دشمن هم به سرعت متوجه ارسال امواج می شوند و در نتیجه مزیت تاکتیکی پایش حرکات دشمن پیش از حمله از دست می رود. بنابراین چین بطور خاص روی استفاده از سونار غیر فعال برنامه ریزی کرده است.

سونارهای غیر فعال از خودشان امواج صوتی گسیل نمی کنند. در عوض حسگر این گونه سونارها گوش به زنگ شنیدن صداهای نامعمول در اقیانوس است. نقطه ضعف این سیستم هم این مسئله است که صداهای پس زمینه ناشی از حرکات جانداران دریایی، امواج و لرزش های کف اقیانوس به سادگی می توانند باعث ایجاد تداخل و در نتیجه اعلام خطر اشتباه شوند. اعلام خطر اشتباه به مواقعی گفته می شود که سیستم تصور می کند یک زیردریایی دشمن را کشف کرده، اما در واقع فقط یک آبزی بی گناه باعث فعال شدن آن شده است. سونارهای غیر فعال تک جهتی هستند و به همین دلیل هم نیروی دریایی چین قصد دارد از صدها دسته سونار استفاده کنند که هر یک منطقه کوچکی را در تمام جهات پوشش دهند. قرار است از این سونارها در کف اقیانوس، متصل به شناورهایی در عمق 400 تا 500 متری و روی کشتی ها و زیردریایی های چینی استفاده شود تا همه اعماق اقیانوس پوشش داده شده باشند. با استفاده از یک شبکه ظریف سونار که دائماً در حال ثبت اطلاعات است، محاسبه و تعیین نویز در هر منطقه دلخواه بسیار دقیق تر خواهد بود. به این شکل سونارهای غیر فعال قادر خواهند بود صداهای ضعیف تر و غیر معمول را بدون اعلام خطر اشتباه کشف کنند و عبور و مرور مخفیانه را برای زیردریایی های دشمن بسیار سخت کنند.

برای اینکه این شبکه کارآمد باشد، باید تمامی اجزای ثابت و متحرک آن بتوانند با سرعت و انعطاف پذیری از طریق یک شبکه بی سیم، داده های خود را تبادل کنند. ارتباط بی سیم زیر آب بسیار چالش برانگیز است، چرا که از امواج رادیویی یا همان الکترومغناطیسی استفاده می کند. آب شور اقیانوس ها، هادی الکتریسیته است و باعث می شود امواج رادیویی حتی در مسافت های بسیار کوتاه هم انرژی خود را از دست بدهند. اما امواج صوتی دقیقاً روی دیگر سکه هستند. امواج صوتی مکانیکی هستند و از طریق تغییرات فشار در مواد مختلف به پیش می روند. از آنجا که مولکول های آب دریا نسبت به مولکول های هوا بسیار به هم نزدیکتر هستند، امواج صوتی می توانند با بازدهی بیشتری منتشر شوند و در نتیجه سرعت آنها در آب شور چهار برابر سرعت صوت در هوا است.

4 فناوری بی صدایی که زیردریایی ها را مخفی نگه می دارند.

زیردریایی های جدید به لطف بکارگیری پوشش های جاذب صوت و موتورهای الکترومغناطیسی آنقدر بی صدا شده اند که پیدا کردن آنها با سونار هم کار مشکلی است.

1. بدنه بی صدا درون آب حرکت می کند. اصطکاک بین بدنه زیردریایی و آب باعث ایجاد صدا می شود. زیردریایی ها تا حد ممکن هیدرودینامیک طراحی می شوند. مقاومت مدل های جدید به حرکت در زیر آب با کشیدن نمونه آب در حوضچه های بزرگ اندازه گیری می شود.
2. مواد توخالی پژواک ها را نابود می کنند. بدنه را می توان با پوششی از بلوک های لاستیکی خاص که تنها سه درصد از صدا را بازتاب می دهند، پوشاند. حفره های کوچک داخل این مواد امواج صوتی را به دام می اندازند و آنقدر آنها را در داخل خود بازتاب می دهند تا تمام انرژی موج از بین برود.
3. پروانه اصلی محصور شده است. فشار دقیقاً پشت سر و اطراف پروانه اصلی افت می کند و باعث ایجاد حباب هایی می شود که با ترکیدن خود صدا تولید می کنند. با قرار دادن پروانه اصلی در یک استوانه توخالی از افت فشار جلوگیری می شود و در نتیجه حباب های کمتری در رد حرکت زیردریایی تولید خواهد شد.
4. موتور تقریباً بی صدای جدید. مهندسان موفق به توسعه موتور پمپ جت شده اند که در آن پروانه اصلی روی یک رینگ چرخان نصب می شود که به کمک نیروی الکترومغناطیسی حرکت داده می شود. سر و صدای تولیدی به دلیل نبود یک شفت مکانیکی به شکل قابل ملاحظه ای کاهش پیدا می کند.

زیردریایی های پنهانکار کشف می شوند.

وقتی آخرین نسل های زیردریایی های نظامی که برای تولید کمترین سر و صدای ممکن توسعه داده شده اند، شروع به عملیات در حالت پنهانکاری کنند، یک شبکه حساس و پیچیده سونار هم خیلی کارآیی ندارد. این زیردریایی ها با نزدیک شدن به محدوده دشمن شروع به استفاده از پیشرانش الکتریکی می کنند که بسیار کم صداتر از سیستم مکانیکی است. بسیاری از زیردریایی های نظامی توان خود را از راکتورهای کوچک هسته ای می گیرند که در این شرایط معمولاً سیستم خنک کننده آن را بطور موقت خاموش می کنند و سرعت را کاهش می دهند که هر دو باعث کاهش قابل ملاحظه صدای تولید شده می شوند. همچنین دورتادور زیردیایی های جدید معمولاً با بلوک های جاذب صوت ساخته شده از مواد پلاستیکی یا لاستیکی پوشانده می شوند. این مواد دارای هزاران حفره میکروسکوپی هستند که باعث می شوند امواج صوتی در آنها به دام بیفتند و آنقدر بازتاب کنند تا تمام انرژی خود را از دست بدهند. با این روش صداهای داخل زیردریایی کمتر به بیرون می رسند و امواج ارسالی از یک سونار فعال هیچ بازتاب معینی نخواهند داشت.

اما یک زیردریایی هر قدر هم بی سر و صدا باشد، نمی تواند بدون به جا گذاشتن شواهد مغناطیسی از دورن آب عبور کند. زیردریایی ها از آلیاژهای خاصی ساخته می شوند که حاوی الکترون های منفرد هستند. این ویژگی باعث ایجاد خصوصیات مغناطیسی در مواد می شود که سبب می شود بدنه فلزی زیردریایی، خطوط میدان مغناطیسی زمین را به مقدار ناچیزی به سمت خود خم کند. همچنین آب شور سرشار از یون های سدیم و کلر است و وقتی زیردریایی از درون آب عبور می کند، این ذرات شروع به حرکت می کنند و میدان های مغناطیسی کوچکی در مسیر حرکت زیردریایی ایجاد می شوند.

چندین دهه است که شکارچیان زیردریایی از مغناطیس سنج ها – که معمولاً در قسمت دُم هواپیما کار گذاشته می شود و می تواند به سرعت مناطق وسیعی را پویش کند – برای کشف زیردریایی ها استفاده می کنند. اما از آنجا که برد امواج الکترومغناطیسی ساطع شده از بدنه زیردریایی در آب شور کاهش پیدا می کند، باید در عمق بسیار کمی حرکت کند تا بتوان آن را بوسیله مغناطیس سنج های متعارف کشف کرد. در نتیجه چین یکی از اولین مغناطیس سنج های SQUID (دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا) جهان را توسعه داده که از ویژگی های مواد ابررسانا بهره می برند. ابررساناها موادی هستند که می توانند بدون مقاومت، الکتریسیته را از درون خود عبور دهند. مغناطیس سنج های SQUID آنقدر حساس هستند که تغییرات میکروسکوپی میدان مغناطیسی زمین هم می تواند باعث عبور جریان الکتریکی و از بین رفتن خاصیت ابررسانش آنها شود. در نتیجه این امر، مقاومت الکتریکی ای تولید می شود که می توان آن را با دقت اندازه گرفت. به گفته متخصصان مغناطیس سنج های SQUID می توانند تداخل ایجاد شده در میدان مغناطیسی زمین در اثر تکان دادن یک آهنربای کوچک را از فاصله 6 کیلومتری کشف کنند.

هر چند این حساسیت فوق العاده باعث می شود مغناطیس سنج های SQUID بیشتر در معرض خطای اندازه گیری و اعلام خطر اشتباه باشند. راه حل چین برای رفع این مشکل، درست مثل شبکه سونارهای غیر فعال، قرار دادن تعداد زیادی مغناطیس سنج روی هواپیماهای گشت دریایی است تا بتوان با دقت بیشتری نویز پس زمینه را اندازه گیری کرد. اگر چین موفق به گسترش این شبکه SQUID net شود، تبدیل به اولین کشوری خواهد شد که از این فناوری حساس برای پیدا کردن زیردریایی های دشمن استفاده کرده است.

در فیلم شکار اکتبر سرخ، پیشرفته ترین فناوری پنهانکاری زیردریایی یک پیشرانه حلزونی است که از نیروی مغناطیس برای ایجاد پیشرانش بی صدا استفاده می کند. این فناوری خیالی هرگز توسعه داده نشده، اما اگر می شد هم کماکان مغناطیس سنج های بسیار حساس کارآیی خود را حفظ می کردند. بنابراین اگر قرار است زیردریایی های آینده بتوانند از دیوار بزرگ زیر آب عبور کنند، باید طراحانی بسیار خلاق داشته باشند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «مغناطیس سنج کوانتومی چینی ها چگونه کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله خشایار مریدپور در مجله دانستنیها، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.