Dwie grupy badawcze AstroCeNT kierowane przez prof. T. Bulika (Seismic Sensors group) oraz dr M. Suchenka (Electronics and Data Acquisition and Processing group) połączyły siły, aby pracować nad wspólnym projektem – badaniem czujników infradźwięków. Projekt jest prowadzony na bardzo zaawansowanym poziomie: dr Patecki zbudował stanowisko do kalibracji i testowania możliwych projektów, natomiast dr Suchenek jest autorem kilku koncepcji elektroniki do pozyskiwania i przetwarzania danych. Oto, co mówią naukowcy o projekcie.

Zespół badawczy pod Pana kierownictwem opracowuje prototyp czujnika infradźwiękowego. Jak ten projekt odnosi się do głównego celu AstroCeNT?

Tomasz Bulik: Jednym z podstawowych zakresów badań AstroCeNTu jest badanie niewidzialnego Wszechświata, który dziś możemy zaobserwować w falach grawitacyjnych. Czujniki, nad którymi obecnie pracujemy, będą zainstalowane w VIRGO – detektorze fal grawitacyjnych zlokalizowanym we Włoszech. Obecnie detektory mają zakres częstotliwości od 50 do paru tysięcy herсów. Dla realizacji naszego celu bardzo ważne jest zejście do niższych częstotliwości, gdzie pojawiają się różnego rodzaju szumy, z którymi trzeba się uporać. Jest to, między innymi, szum sejsmiczny i szum newtonowski. Szum sejsmiczny jest powodowany drganiami gruntu, które w różny sposób przenoszą się na detektor, a szum newtonowski jest tworzony przez gradient grawitacji lub lokalne wahania pola grawitacyjnego Ziemi. Żeby ten szum odfiltrować, musimy najpierw go zmierzyć. A żeby go zmierzyć, musimy scharakteryzować pole infradźwięków wewnątrz budynków detektora wokół mas testowych. W tym celu można albo kupić dużo uniwersalnych mikrofonów wysokiej jakości, albo stworzyć inne mikrofony, które będą dedykowane do tego problemu. 

Marcin Patecki: My chcemy zrobić czujniki infradźwiękowe samodzielnie, bo, po pierwsze, niewiele takich czujników jest dostępnych na rynku. A po drugie, są one bardzo drogie, bo mają wąskie spektrum zastosowania. To są ceny rzędu tysięcy albo kilkunastu tysięcy euro za czujnik. My chcemy stworzyć czujnik, którego całkowity koszt zamknie się w kilkuset euro.

Dmitry Nadtocheev

Czy takie mikrofony mogą być przydatne w sprawach „ziemskich”?

MP: Oczywiście, że tak. Czujniki infradźwiękowe mają bardzo szerokie zastosowania w nauce i przemyśle. Korzystamy z nich przy badaniu wulkanów, pokładów ropy pod ziemia. Ponadto są one stosowane w monitorowaniu farm wiatrowych, hałasu w miastach i jego wpływu na istoty żywe, a także do wykrywania wybuchów, na przykład prób jądrowych… Czujniki infradźwiękowe stosuje się też w medycynie – do diagnozy chorób serca. 

Dlaczego takie ważne jest rejestrowanie fal grawitacyjnych?

MP: To jest nowy rodzaj sygnału, który jesteśmy w stanie odebrać z przestrzeni kosmicznej. I ten sygnał niesie ze sobą unikatowe informacje, których nie da się wydobyć innymi metodami, między innymi dlatego, że fala grawitacyjna jest praktycznie nie tłumiona. Światło może być przesłonięte jakimś obiektem, a fala grawitacyjna przechodzi przez przestrzeń kosmiczną niezaburzona. 

TB: To jest nowe okno na świat, przez które możemy zobaczyć takie zjawiska, jak tworzenie się czarnych dziur, powstawanie we Wszechświecie ciężkich pierwiastków. Na przykład w jednej z ostatnio prowadzonych obserwacji zarejestrowano połączenie się dwóch gwiazd neutronowych z wyrzutem dużej ilości pierwiastków ciężkich, w tym złota o masie trzydziestokrotnie wyższej od masy Ziemi. Myślę, że to nie wpłynie na cenę złota na rynku… (śmieje się). My, jako organizmy, też zawieramy w sobie pewne ilości pierwiastków, które powstają z połączenia gwiazd neutronowych. Także te badania mają wpływ na to, co wiemy o życiu i o nas.

Jeszcze jedna ważna rzecz: jeżeli tylko zobaczymy tło fal grawitacyjnych, to będziemy mogli spojrzeć na Wszechświat w momencie, kiedy miał 10-34 sekundy. Teraz za pomocą mikrofalowego promieniowania tła możemy sięgnąć w przeszłość tylko do momentu, gdy miał 300 000 lat. Możliwość eksploracji wczesnego Wszechświata o wiele rzędów wielkości dalej niż możemy zrobić dzisiaj to nowe, bardzo ciekawe, okno na właściwości kosmosu.

Czy urządzenia, które obserwujemy w tym pokoju, tworzą stanowisko pomiarowe?

MP: Tak. Stworzyliśmy to stanowisko, żeby weryfikować, czy nasze rozwiązanie jest prawidłowe, czy nie. Problem z infradźwiękami jest taki, że to są fale akustyczne dużej długości. Długość fali dźwiękowej o częstotliwości 1 herc wynosi około 340 m i trudno jest ją wytworzyć w laboratorium, które ma rozmiary kilku metrów. Druga rzecz – wytworzenie takiej fali wymagałoby bardzo dużego obiektu. Najlepiej by było mieć urządzenie, na przykład głośnik, o średnicy membrany kilkaset metrów. Takich głośników nie ma. My tu korzystamy z urządzenia o średnicy 30 cm. To jest duży głośnik basowy, używany do wytwarzania niskich częstotliwości. Ale to nie są aż tak niskie częstotliwości, których my potrzebujemy. Dlatego zamówiliśmy taką rurę. To jest rura normalnie używana do systemów wentylacji i klimatyzacji. Jest zrobiona z PCV, ma 28 cm średnicy, 2 m długości z możliwością wydłużenia do 5 m. Na jednym końcu rury znajduje się głośnik, który wytwarza wewnątrz rury falę stojącą. Umieszczając mikrofon w strzałce fali w miejscu maksymalnych zmian pola akustycznego jesteśmy w stanie mierzyć te fale dźwiękowe o niskiej częstotliwości. Dzięki temu, że dźwięk jest zamknięty wewnątrz rury, my, będąc na zewnątrz, jesteśmy chronieni przed polem dźwiękowym, którego wpływ na zdrowie człowieka nie jest dobrze zbadany. 

Dmitry Nadtocheev

Czyli już istnieje prototyp, którego sprawność można badać za pomocą tej rury…

MP: Prototyp już istnieje i działa dosyć dobrze. Teraz sprawdzamy, czy jest odporny na różne czynniki, na przykład zmiany temperatury. Sprawdzamy też stabilność podczas długotrwałej pracy, czy nie doprowadzi to do degradacji jego właściwości. I to wszystko dzieje się w tym pokoju.

Do weryfikacji, czy nasze czujniki dobrze działają, używamy mikrofonu wzorcowego. To jest mikrofon standaryzacyjny wysokiej jakości, którego producent zapewnia, że jest czuły przy niskich częstotliwościach. Poprzez porównanie naszego czujnika z tym mikrofonem jesteśmy w stanie powiedzieć, czy nasze rozwiązanie funkcjonuje dobrze. I do tych czasów to jest dość obiecujące.

Jaka jest odległość w czasie pomiędzy stworzeniem prototypu a produkcją na większą skalę?

TB: Dużej ilości tych czujników nie będziemy robić my, tylko zlecimy to na zewnątrz. Do pierwszych wstępnych pomiarów w VIRGO potrzebujemy około 200 mikrofonów. Kiedy dojdzie do tej budowy (co będzie już, mam nadzieję, za jakiś miesiąc albo dwa), będziemy musieli w bliższy sposób współpracować z firmami, które tym się zajmują. Już teraz prowadzimy z nimi negocjacje i próbujemy doprowadzić do tego, żeby oni byli w stanie to dość szybko nam dostarczyć. 

Czy są to Polskie firmy?

TB: Tak. Firma, z którą obecnie współpracujemy, już budowała dla nas systemy akwizycji danych, które wkrótce będą montowane w VIRGO.

Czy jest szansa, że czujniki tworzone przez AstroCeNT wejdą na szerszy rynek? Czy jednak głównym odbiorcą będzie VIRGO?

TB: Monitorowanie pól infradźwiękowych jest bardzo ważne w zastosowaniach przemysłowych. Potencjalnie te czujniki, które my robimy, są konkurencyjne ze względu na unikalną kombinację takich parametrów, jak czułość i pasmo, których jeszcze nie ma na rynku. Moim zdaniem to jest produkt, który znajdzie swoją niszę.

 

Wywiad przeprowadziła Yuliya Hoika.

Dmitry Nadtocheev

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu