Thiết bị đo trọng lực nhỏ nhất và rẻ nhất

Các nhà nghiên cứu Trung Hoa dùng nguyên lý dao động vi mô nghịch từ để tạo ra thiết bị đo trọng lực nhỏ nhất và rẻ nhất.

Được gọi là trọng lực kế, những thiết bị như vậy có thể phát hiện sự dịch chuyển của các mảng kiến ​​​​tạo, cảm nhận chuyển động của nước ngầm, tiết lộ trữ lượng dầu khí ẩn giấu và theo dõi magma trong núi lửa để cung cấp dữ liệu dự đoán các vụ phun trào, cùng với nhiều ứng dụng khác.

Các nhà nghiên cứu từ lâu đã tìm cách chế tạo các dụng cụ đo trọng lực nhẹ và tiết kiệm chi phí.

Có một người mới tham gia vào cuộc cạnh tranh nhằm phát triển các thiết bị ngày càng nhỏ hơn có thể phát hiện những thay đổi trong trường hấp dẫn của hành tinh chúng ta - một thiết bị để bàn có kích thước gần bằng hai chiếc điện thoại thông minh xếp chồng lên nhau.

Trọng lực kế mà các nhà khoa học mới chế tạo ra chỉ bé bằng hai chiếc điện thoại.

Trọng lực kế mà các nhà khoa học mới chế tạo ra chỉ bé bằng hai chiếc điện thoại.

Được tạo ra bởi một nhóm các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc, thiết bị này đã được sử dụng để đo thủy triều trên Trái đất trong vài ngày, nhà vật lý Pu Huang của Đại học Nam Kinh và các đồng nghiệp của ông đã công bố trên Tạp chí Vật lý.

Hầu hết các thiết bị có đủ độ nhạy như vậy vẫn bị mắc kẹt bên trong phòng thí nghiệm, đòi hỏi phải có thiết bị cồng kềnh để tạo chân không bảo vệ hoặc làm mát các bộ phận của chúng đến nhiệt độ cực thấp.

Máy đo trọng lực cầm tay có xu hướng trở thành những đồ vật cực kỳ đắt tiền có kích thước bằng các thiết bị gia dụng. Nhưng những cái nhỏ hơn nhiều vẫn tồn tại, chẳng hạn như nguyên mẫu cho máy đo trọng lực cỡ tem bưu chính, được báo cáo vào năm 2016, với đủ độ nhạy cho một số ứng dụng địa vật lý cơ bản.

Độ lớn của trọng lực giữa hai vật phụ thuộc vào khối lượng của chúng và khoảng cách giữa chúng. Do đó, sự thay đổi trọng lực có thể được đo bằng một vật giống như trọng lượng đặt trên một lò xo.

Nếu một thiết bị như vậy được di chuyển đến gần hoặc ra xa mặt đất, hoặc khi mật độ địa hình thay đổi đột ngột, thì lực hấp dẫn của Trái đất lên vật nặng sẽ thay đổi và chiều dài của lò xo tương ứng sẽ thay đổi rất ít.

Nguyên lý và cách thức mà các nhà khoa học Trung Quốc tạo ra chiếc trọng lực kế mang tính kỷ lục này đơn giản đến nổi khiến cho ai cũng phải ồ lên một tiếng. Vì lẽ, nó đơn giản đến mức ai cũng biết, cơ mà chưa ai làm.

Thay vì một quả nặng và một lò xo, Huang và nhóm của ông đã sử dụng hai nam châm, cái này được đẩy lên bởi cái kia. Nam châm được nâng lên hoạt động giống như một quả nặng, chuyển động lên xuống theo sự dịch chuyển của trường hấp dẫn.

Nhưng khác biệt duy nhất là trái tim của thiết bị - một nam châm nhỏ xíu, nhỏ hơn một hạt gạo và nặng chưa bằng hai hạt cà phê. Và đúng với quy mô, chúng ta gọi những thay đổi này với cái tên là "dao động vi mô nghịch từ".

Nguyên lý hoạt động đơn giản của thiết bị siêu nhạy nhưng rẻ tiền.

Nguyên lý hoạt động đơn giản của thiết bị siêu nhạy nhưng rẻ tiền.

Lực từ vô hình giữa các nam châm hoạt động giống như một lò xo rắn. Một tia laser đã đo những thay đổi ở vị trí của nam châm lơ lửng, cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi trường hấp dẫn của Trái đất dao động trong vài ngày để đối chiếu với lực thủy triều từ mặt trăng.

Bằng thiết bị này, họ cũng đã phát hiện hai trận động đất, một ở ngoài khơi Honshu, Nhật Bản và một ở biển Bali của Indonesia.

Nhà vật lý Xuejian Wu của Đại học Rutgers ở Newark, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết: "Thiết bị mới này không nhạy bằng máy đo trọng lực tốt nhất thế giới. Nhưng thiết bị đó lớn hơn nhiều để có thể phát hiện những thay đổi của trường hấp dẫn khoảng một phần tỷ. Thiết bị bé nhỏ này có thể làm như vậy với khoảng một phần 60 triệu, nhưng lại cực đơn giản, bé nhỏ."

Nhóm phát triển cho biết, họ có kế hoạch tăng độ nhạy đồng thời thu nhỏ thiết bị của họ hơn nữa. Hiện tại, phần lớn kích thước của máy đo này là tấm chắn từ tính và các thiết bị hỗ trợ khác.

Huang cho biết, trong vòng vài năm tới, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ tích hợp toàn bộ hệ thống vào một thiết bị có kích thước bằng con chip có thể đặt trên máy bay không người lái để nghiên cứu thực địa.