I droni potranno volare senza GPS anche sotto disturbo elettronico? La soluzione arriva dai giroscopi laser

I ricercatori dell'Università di Princeton hanno sviluppato un giroscopio ottico su chip capace di misurare la rotazione a 37° all'ora, migliorando di quasi 2000 volte la precedente versione. Il dispositivo utilizza la luce per rilevare la rotazione, sfruttando l'effetto Sagnac e segnali laser Brillouin stabili.

I ricercatori hanno creato un giroscopio ottico su chip in grado di misurare la rotazione a una velocità di soli 37° all’ora. Per confronto, la Terra ruota di circa 15° nello stesso intervallo di tempo. La sensibilità attuale non è sufficiente per rilevare con certezza la rotazione del pianeta stesso, ma il nuovo risultato ha avvicinato i giroscopi compatti al livello necessario per una navigazione precisa senza GPS.

Gli autori hanno misurato la rotazione del dispositivo reale, non si sono limitati a calcolare la sua sensibilità potenziale. La versione precedente del giroscopio sulla stessa piattaforma riusciva a distinguere il movimento solo a 72.000° all’ora. Ora la velocità minima misurata è diminuita di quasi 2000 volte.

Invece di una minuscola parte meccanica, il giroscopio utilizza la luce. All’interno di un chip fotonico è presente un anello di circa 24 mm di diametro, lungo il quale due segnali laser viaggiano in direzioni opposte. Finché il dispositivo è fermo, le loro frequenze sono quasi identiche. Se il chip ruota, uno dei segnali luminosi percorre l’anello in modo leggermente diverso rispetto all’altro. Il giroscopio rileva la minuscola differenza di frequenza e ne deduce la velocità di rotazione.

I fisici chiamano questo principio effetto Sagnac. Per evitare che il debole spostamento si perda tra i disturbi, i ricercatori hanno fatto interagire la luce con le oscillazioni del materiale, ottenendo due segnali laser Brillouin molto stabili. L’anello è stato realizzato in nitruro di silicio, che permette di dirigere la luce attraverso canali microscopici con perdite ridotte.

Il grande diametro per un chip fotonico ha giocato un ruolo importante. Più è ampia l’area all’interno dell’anello, più la rotazione modifica il movimento delle onde luminose contrapposte. Il risonatore ottico trattiene i fotoni per quasi 100 ns, quindi la luce ha il tempo di percorrere più volte l’anello e accumulare un effetto misurabile. La qualità del risonatore, ovvero la capacità di conservare l’energia luminosa, ha superato i 163 milioni.

Per testare il dispositivo, i ricercatori hanno fissato il chip, delle dimensioni di alcuni centimetri, su un piccolo tavolo rotante e lo hanno fatto muovere lentamente avanti e indietro. Un interferometro ottico separato ha monitorato il movimento reale e funzionato come strumento di controllo. Le indicazioni del giroscopio variavano insieme alla velocità di rotazione, fino a un minimo di 37° all’ora.

Prima di diventare un sensore di navigazione completo su un singolo cristallo, il dispositivo dovrà superare diverse fasi di sviluppo. I laser, i fotodettettori e parte dell’ottica ausiliaria si trovano ancora al di fuori del chip principale, mentre la dispersione indesiderata della luce peggiora la stabilità delle misurazioni. Gli autori vogliono ridurre le interferenze, assemblare i componenti in un modulo compatto unico e testarlo al di fuori dell’impianto di laboratorio.

Se gli ingegneri riusciranno a trasferire l’intero sistema ottico su un singolo chip, i giroscopi ad alta precisione potrebbero diventare significativamente più piccoli e robusti rispetto agli attuali dispositivi. La struttura non presenta parti sensibili in movimento e la componente ottica consuma solo pochi milliwatt. In prospettiva, simili sensori potrebbero essere utili per automobili, aerei e apparecchi spaziali che devono determinare il proprio movimento anche dove la navigazione satellitare è inaccessibile o poco affidabile.

Carolina Vivianti

Carolina Vivianti è consulente/Advisor autonomo in sicurezza informatica con esperienza nel settore tech e security. Ha lavorato come Security Advisor per Ford EU/Ford Motor Company e Vodafone e ha studi presso la Sapienza Università di Roma.

Aree di competenza: Cybersecurity, IT Risk Management, Security Advisory, Threat Analysis, Data Protection, Cloud Security, Compliance & Governance