Научные прорывы

  • Русский
  • English

Название проекта

Распределённая реконфигурируемая интерферометрическая система для комплексных исследований космического излучения

Ключевая идея (слоган) проекта

Объединение детекторов в ближнем космосе для качественного повышения измерительных характеристик

 

Организации партнеры

University of Cambridge

ФГБОУВО Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова Научноисследовательский институт ядерной физики им. Д.В.Скобельцина

ФГАОУВО Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ)

ФГАОУВО “Новосибирский национальный исследовательский государственный университет”

ФГАОУВО Московский физико­технический институт (государственный университет)

ФГАОУВО Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной астрономии Российской академии наук

Учреждение Российской Академии Наук Специальная астрофизическая обсерватория РАН

ФГБОУВО Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.ТУПОЛЕВА­КАИ Казанский квантовый центр

 Глобальная научно­технологическая задача (вызов) на решение которой ориентирован проект

Изучение фундаментальных свойств Вселенной на основе исследования космического излучения распределёнными интерферометрическими системами воздушного и космического микроспутникового базирования. Создание системы датчиков для измерения магнитоэлектрических кластеров и идентификации аксионной природы Тёмной материи. Широкополосный мониторинг космических радиоисточников и космологического микроволнового фона для уточнения спектра реликтового микроволнового излучения

Научный руководитель проекта

Столяров Владислав Александрович (h=32 Scopus,h=49 WoS)

Описание проекта

Тёмная Материя является неизученной составляющей Вселенной с долей в энергобалансе около 23%. Проект решает фундаментальную задачу идентификации внутреннего устройства Тёмной материи путём тестирования модели космической аксионной электродинамики, что позволит значительно расширить существующие представления о Вселенной и решать новые задачи прикладного мониторинга в различных областях наук о Земле.  Высокой прорывной технологией в данном проекте является реконфигурируемая сеть распределенных сенсоров магнитного и электрического полей размещенных на платформе космического и воздушного базирования для определения аксионно­индуцированных электрических полей в околоземном космическом пространстве. Проект решает задачу построения распределённой радиофизической платформы воздушного базирования для многоцелевого мониторинга. Такая платформа имеет значительный потенциал по сравнению с современными радиолокационными устройствами различного типа: использование совокупности БЛА на высоте даже нескольких сотен метров позволяет обеспечить радикальное повышение разрешения, помехоустойчивости и чувствительности проводимых измерений. Планируется создать распределённую динамически конфигурируемую систему БЛА, обеспечивающую объёмный раскрыв антенной системы требуемой конфигурации, что позволяет приступить к разработке полезной нагрузки для космической распределённой платформы и является новым словом в создании радиотелескопов космического базирования. Комплексы воздушного базирования позволяют приступить к прецизионному широкополосному ДЗЗ приповерхностных слоев от сантиметрового до миллиметрового диапазона радиоволн во всей области наблюдения. Использование интерферометрической системы магнетометрического типа в свою очередь даёт информацию о расположении и характеристиках магнитных аномалий в земной коре, позволяя определять структуру подстилающей поверхности и залежи полезных ископаемых даже на глубинах до нескольких сотен метров. В качестве полезной нагрузки для платформы предлагается использовать квантовые радиоприёмники микроволнового диапазона на базе высокодобротных резонаторов и микроволнового интерфейса. На их базе будет построен спектрометрический комплекс для мониторинга слабых сигналов космического происхождения, что позволит отработать методики анализа спектра реликтового излучения. Повышение чувствительности и спектральной селективности позволит вывести экспериментальную аппаратуру на новый уровень, которая будет также применена для решения практических задач квантового процессинга и коммуникаций.

 

Подходы к реализации проекта

 

Аксионно­электродинамический подход является теоретически разработанным научным направлением, экспериментальное обоснование которого возможно через регистрацию новых электромагнитных эффектов, индуцированных аксионными полями, и базируется на измерении корреляций электрического и магнитного полей в разных точках пространства­времени, для чего и требуется система синхронизированных высокочуствительных детекторов, распределённых в пространстве. Каждый модуль распределённой системы датчиков обладает детекторами направления и интенсивности локального радиального, меридионального и азимутального электрического и магнитного полей Земли. Обнаружение коррелированных вариаций у параллельных составляющих электрического и магнитного полей станет неоспоримым свидетельством существования аксионфотонных взаимодействий. Распределённая платформа воздушного базирования состоит из перестраиваемой системы малых БЛА­сателлитов со сменными антенными модулями, стартующих с массивного БЛА­носителя коптерного типа. Указанная схема позволяет реализовать распределённую реконфигурируемую антенную решётку на БЛА­сателлитах с центром обработки данных на БЛА­носителе, обеспечит существенное превосходство по скорости передачи данных, формирования диаграмм направленности и перестройки структуры системы под различные задачи. В случае космического базирования распределённая платформа реализуется как группировка наноспутников, управляемых с одного микроспутника, что обеспечивает устойчивую связь с центром управления. Конфигурация спутников на орбите может быть выбрана произвольно в связи с полностью динамически формируемой апертурой раскрыва эквивалентной антенной системы. Полезная нагрузка реализуется в рамках концепции COTS и выполняется с участием индустриальных партнёров. Предлагаемый подход ДЗЗ ориентирован на обеспечение прецизионного зондирования земной поверхности и приповерхностных слоёв в широком диапазоне частот во всей области наблюдения (до нескольких десятков кв. км одновременно). Будет обеспечена разработка магнетометрического интерферометра на базе группировки БЛА, позволяющего локализовать местоположение и интенсивность магнитных аномалий в исследуемом объёме для поиска залежей ценных ископаемых и определения структуры приповерхностных слоёв. Создание высокочувствительной аппаратуры для детектирования микроволнового излучения базируется на использовании оригинальной запатентованной системы взаимодействующих высокодобротных компактных СВЧ резонаторов, что позволяет детектировать очень слабые электромагнитные поля с возможностью высокоскоростного оптимального управления процессом квантовой трансформации и модуляции. На основе отработки данной универсальной схемы будут проведены работы по созданию и испытанию измерительного комплекса аппаратуры.

 

 

Имеющийся у университета опыт, научно-исследовательские и технологические наработки (заделы)

 

Стратегическое преимущество и научный задел КФУ в области аксионной электродинамики основан на специализации сотрудников в развиваемых направлениях космологии при полном отсутствии конкурентов среди российских ученых и двух десятках публикаций в международных журналах с высокой научной репутацией, а поддержка по проектам ППК и РНФ свидетельствует о значительном опыте коллектива и ценности уже имеющихся разработок.  С 2013 года в КФУ работают 6 лабораторий по тематикам деятельности – «Ариадна», «Крона», «Андромеда», «Радуга», «Маховик», «Илиада», решающие вопросы от энергообеспечения воздушной распределенной группировки до разработки систем ориентации и навигации роевой платформы. Самарский национальный исследовательский университет и индустриальные партнёры Спутникс и TSURU Robotics, обладают уникальными компетенциями на территории РФ по разработке и эксплуатации систем микроспутников и защищённых компактных БЛА различных конструкций. Сама тематика ДЗЗ является одной из профильных тематик кафедры астрономии и космической геодезии Института Физики КФУ и Института геологии и нефтегазовых технологий. В рамках группы НИЛ, связанных с применением результатов космической деятельности, наработаны уникальные методики восстановления профилей подстилающей поверхности и мультиспектральной обработки информации. С 2014 года в КФУ в рамках НИЛ «СВЧ проектирования и радиоизмерений» (совместно Казанским квантовым центром) была разработана и запатентована система взаимодействующих сверхвысокодобротных композитных компактных СВЧ резонаторов, которая обладает уникальной возможностью параметрического контроля и является универсальной базой для реализации многоцелевого квантового интерферометра.

 

Достижение глобального лидерства (превосходства), как один из результатов реализации проекта

 

Лидерство будет достигнуто в космологии Тёмной Материи и системах инерциальной навигации, что откроет возможность применения методов аксионной интерферометрии и высокоточной автономной навигации в прикладных сферах науки, промышленности и коммуникации. Проект создания полноценной радиофизической платформы с динамической конфигурацией собственной структуры и раскрыва антенной системы воздушного и космического базирования – первый в мире. Построение недорогих РЛС с большой базой является прорывом в области многоцелевого радиолокационного мониторинга. Новизна радиоастрономического приёмника обусловлена применением высокодобротных резонаторов, микроволново­оптическим интерфейсом и квантового детектора на порядки позволяющим уменьшить тепловой шум приёмника. К прорывным техническим преимуществам здесь нужно отнести возможность быстрого удалённого параметрического контроля полосы и частоты приёмника.

 

Значимость, востребованность и научная новизна проекта

Вклад проекта в мировую науку заключается в обнаружения частиц Тёмной материи и уточнении сценариев развития Вселенной. Новизной проекта является переход от концепции единичных локализованных аксионных детекторов к концепции распределённой системы аксионных детекторов, основанной на анализе корреляций в Магнито­Электрических Кластерах в околоземном пространстве, что значительно увеличит точность методик детектирования. Существующие платформы воздушного и космического базирования выполняются на базе либо ограниченного количества стратостатов, либо массивных спутников. Подход с полностью распределённой апертурой, динамически реконфигурируемой в пространстве и времени, ранее не использовался по причине необходимости точной фазовой синхронизации, и субсантиметровой точности взаимной ориентации элементов системы. В рамках разработок индустриальных партнёров были реализованы уникальные малогабаритные БЛА, микроспутники и профильная целевая нагрузка общего назначения. В рамках НИЛ КФУ были решены задачи прецизионной ориентации, навигации, многоканальной передачи данных и синтеза малогабаритных излучателей, и полных антенных раскрывов на базе распределённых систем объектов. Именно указанная совокупность наработок и позволяет претендовать на создание первой в мире распределённой радиоантенны полностью воздушного базирования на базе роевой группировки БЛА и радиотелескопа космического базирования на базе роевой группировки микроспутников. Существующие подходы ДЗЗ обеспечивают сосредоточенное наблюдение с воздушной или космической платформы. Построение распределённой платформы для исследований с большим эквивалентным объёмом раскрыва апертуры даёт принципиально новые возможности по детализации наблюдений и одновременного исследования всей наблюдаемой поверхности. Разрабатываемый квантовый радиоприёмник представляет собой систему высокодобротных резонаторов, связанных с единым волноводом и допускает регулируемую перестройку частот резонаторов. Для увеличения чувствительности аппаратуры планируется разработать методы существенного повышения добротности резонаторов благодаря регулировке взаимодействия связанных резонаторов и обеспечение когерентного усиления принимаемого сигнала несколькими взаимодействующими резонаторами. На этой основе будет реализована схема эффективного преобразования микроволнового излучения в оптическое излучения, используя резонансное взаимодействие с системой атомов, помещённых в высокодобротный резонатор.

 

Значимость и востребованность проекта в технологиях.

 

Создание радиофизической платформы и развитие интерферометрических методов исследования аксионов изменит возможности прикладной космологии и ДЗЗ, что может быть использовано во всех областях промышленности. Повышение чувствительности радиоприёмников и управление диаграммой направленности позволят увеличить эффективность дистанционного зондирования Земли и уменьшить мощность радиопередающих систем, что особенно важно для космических систем связи, навигации. Изменение существующих технологий будут идти параллельно с проектом в связи с высокой вовлеченностью промышленных партнёров в проект. Однако при этом результаты реализации проекта дадут новую информацию фундаментальных свойств Вселенной, позволят приблизится к идентификации природы Тёмной материи, заглянуть в эпоху сотворения Вселенной (изучая спектр реликтового излучения)