Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Terahercų elektronikos grupė, vadovaujama prof. Alvydo Lisausko, jau kelerius metus tiria ir gamina terahercų elektroninius įrenginius Europos kosmoso agentūros (ESA) užsakymu. Jų sukurti prietaisai išbandomi kosmoso tyrimo laboratorijose. Viena iš tokių laboratorijų – SOFIA. Tai aukščiau nei įprasti keleiviniai lėktuvai skraidantis „Boeing“ su išpjauta korpuse skyle teleskopui. Ši skraidanti observatorija tiria tolimas galaktikas, žvaigždžių raidą ir daugelį kitų įdomių dalykų.

Vilniaus universiteto mokslininkai tiki, kad jų sukurti įrenginiai kada nors skris į kosmosą ir bus panaudoti erdvėlaivių kontrolei bei astronominiams tyrimams.

Teleskopas 14 kilometrų aukštyje

Astronomai jau seniai žino, kad kuo aukščiau virš jūros lygio stovi teleskopas, tuo mažiau kosmoso tyrimams trukdo Žemės atmosfera ir žmogaus sukurti dirbtiniai šviesos šaltiniai. Pasaulyje pastatyta nemažai tokių observatorijų. Viena žymiausių – Čilės kalnuose, penkių kilometrų aukštyje besidriekiančioje Atakamos dykumoje, stūksantis ALMA mikrobangų antenų masyvas. Praėjusiame amžiuje prasidėjusi kosminių skrydžių era leido mokslininkams iškelti daugybę teleskopų ten, kur nėra (arba beveik nėra) jokios atmosferos – į atvirą kosminę erdvę. Bene žinomiausias iš jų – dar 1990 m. paleistas skrieti aplink mūsų planetą Hablo („Hubble“) optinis veidrodinis teleskopas.

Deja, bet aukštai kalnuose arba kosmose veikiančios observatorijos turi keletą trūkumų. Visų pirma, jos brangios. Antra, tokių objektų priežiūra yra labai sudėtinga. Dėl to inžinieriai ir mokslininkai ieško alternatyvių aukštuminių teleskopų variantų. Vienas įdomesnių – astronominę stebėjimo įrangą iškelti virš debesų lėktuvais arba oro balionais. Iš pirmo žvilgsnio atrodanti keista arba neįmanoma įgyvendinti idėja sėkmingai taikoma praktikoje jau kelis dešimtmečius. Geras tokios skraidančios observatorijos pavyzdys yra SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) laboratorija.

Skraidanti observatorija SOFIA pradėjo veikti 1996 m. dviejų kosmoso agentūrų – amerikiečių NASA ir europiečių ESA – iniciatyva. SOFIA branduolys – ilgų nuotolių lėktuvas „Boeing 747SP“ ir dideliame aukštyje dirbti pritaikytas 2,5 metro skersmens infraraudonųjų spindulių reflektorius. Specialiai teleskopo antenai orlaivio korpuse išpjauta skylė ir įmontuotos slankiosios durys. Observatorija gali pakilti į beveik 14 kilometrų aukštį dešimčiai valandų ir iš ten stebėti naktinį dangų. Kaip teigia NASA, tokiame aukštyje išvengiama 99 proc. infraraudonuosius spindulius sugeriančios atmosferos. Astronomams sukuriamos geros Saulės sistemos ir tolimų galaktikų tyrimų sąlygos, kurių neįmanoma pasiekti antžeminėse observatorijose.

Pagrindinis taikinys – tolimos planetos

Daug laiko observatorijoje SOFIA dirbantys mokslininkai skiria Saulės sistemos objektams: tiria išorinių planetų atmosferas ir paviršius, stebi kometų raidą. Pavyzdžiui, 2016 m. astronomai skraidančiu teleskopu po ilgos pertraukos vėl aptiko deguonį Marso atmosferoje. SOFIA naudojama ne tik artimo, bet ir tolimesnio kosmoso tyrimams, tokiems kaip žvaigždžių kūrimosi ypatumai, juodųjų skylių, tarpžvaigždinių ūkų stebėjimas. Observatorijos įranga ne kartą pravertė ir nežemiškos gyvybės paieškoms planetas turinčiose žvaigždžių sistemose.

Vienas didžiausių SOFIA privalumų, palyginti su kosmose skraidančiomis laboratorijomis – ji išbūna ore tik keliolika valandų. Paskui lėktuvas nusileidžia ant žemės ir inžinieriai bei mokslininkai gali atnaujinti observatorijoje įrengtus instrumentus. Kitais žodžiais tariant, SOFIA gali būti nuolatos tobulinama. NASA ir ESA netgi naudoja ją kaip prototipų poligoną, kuriame išbandomos naujos, beorėje erdvėje dirbti skirtos astronominių tyrimų technologijos. Abi kosmoso agentūros atviros naujiems pasiūlymams ir teikia finansinę paramą inovatyviems moksliniams inžineriniams projektams, kuriais siekiama sukurti astronomams ir erdvėlaiviams skirtas medžiagas ir įrenginius. Vieną tokių projektų sėkmingai vykdo ir lietuviai – jungtinė Vilniaus universiteto ir Fizinių ir technologijos mokslų centro grupė, vadovaujama Vilniaus universiteto profesoriaus A. Lisausko.

Pagrindinis šios mokslininkų grupės uždavinys ESA projekte – sukurti itin jautrų elektroninį jutiklį, gebantį pagauti terahercų dažnio radijo bangas.

Labai aukšto dažnio elektronika – ir kuriant 6 G technologiją

Didelio dažnio elektroninių įrenginių kūrimas Vilniaus universitete pasidarė įmanomas 2013 m. įkūrus Triukšmų ir terahercinės elektronikos laboratoriją. Terahercas – tai 1000 gigahercų, arba milijardas hercų. Terahercinių bangų dažnis keliolika arba keliasdešimt kartų viršija mums jau įprastu tapusio mobiliojo ryšio ir WiFi dažnius. Jos priskiriamos radijo bangoms, tačiau kai kuriomis savybėmis panašios į optines bangas.

Moksliniai tyrimai terahercinių bangų ruože – neseniai iš naujo atrasta ir perspektyvi sritis. Iki XX a. pabaigos šis ruožas domino tik astronomus, tačiau sparčiai vystantis telekomunikacijų, medicinos, biologijos, visuomenės saugumo užtikrinimo technologijoms terahercus bandoma taikyti daugelyje pramonės ir kasdienio gyvenimo sričių. Terahercinės bangos gali būti naudojamos kuriant ateities duomenų perdavimo, įskaitant ir 6 G, linijas. Šios galimybės paskatino naujus tyrimus ir davė pradžią naujam Vilniaus universiteto mokslininkų projektui, kurio tikslas – sukurti didelio dažnio duomenų perdavimo liniją, turinčią potencialą ateityje tapti 6 G technologijos dalimi.

Sparčiai plėtojantis ryšio technologijoms ir augant visuomenės poreikiui diegti didelio duomenų laidumo belaidžio ryšio komunikacines sistemas, atsiranda galimybės kurti itin sparčius elektronikos įtaisus. Šiuo metu labiausiai išvystytos silicio gamybos technologijos leidžia pagaminti elektronikos grandynus, veikiančius mikrobangų dažnių srityje ir jau siekiančius žemutinę terahercų dažnių juostos (0,3–10 THz) ribą. Dėl didesnių nei mikrobangų srities dažnių ši juosta leidžia didinti siunčiamos informacijos srauto laidumą. Be to, terahercinės spinduliuotės sąveikos su medžiagomis ypatybės suteikia šiai dažnių juostai svarbią vietą tiek spektroskopijoje, tiek vaizdinimo uždaviniuose, tokiuose kaip paslėptų ginklų ar sprogmenų detekcija, tiek farmacijos ir kosmoso pramonės ar biomedicininių taikymų srityse. Tačiau šiuo metu terhercinių dažnių ruožo naudojimas daugiausia sutelktas į nišinius mokslinio pobūdžio taikymus, tokius kaip kosmoso tyrimai.

Fizikų kurti įrenginiai – dalis observatorijos SOFIA

Vilniaus universiteto Triukšmų ir terahercinės elektronikos laboratorijoje šiuo metu kuriami didelio dažnio elektroniniai prietaisai yra bandomi kosmoso tyrimų laboratorijose. Paskutinį kartą jie išbandyti Berlyne, Vokietijos kosminio centro Optinių detektorių sistemų instituto Terahercų spektroskopijos laboratorijoje, kur mokslininkai tyrė savo sukurtų terahercinių bangų jutiklių pritaikymo observatorijoje SOFIA galimybes. Nepaisant didelių lėktuvo, kuriame įkurta observatorija, išorinių gabaritų, jo viduje skaičiuojamas kiekvienas naudingas centimetras ir gramas. Todėl viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl astronomai domisi Vilniaus mokslininkų darbais, yra ta, kad jų sukurti jutikliai užima daug mažiau vietos ir yra mažesnio svorio nei dabar observatorijoje naudojami įrenginiai. Jų aktyvioji sritis, generuojanti arba priimanti terahercines bangas, dydžiu prilygsta aguonos grūdui, o visiškai surinkti ir parengti eksploatacijai tokie įrenginiai yra kumščio dydžio.

Mikroskopu darytos terahercinių bangų jutiklių nuotraukos. Spiralės dysis – apie 0,5 mm.

Vilniaus universiteto mokslininkų siūlomi teraherciniai elektroniniai įrenginiai sudarytų gana svarbią observatorijos SOFIA dalį – be jų teleskopu gauti vaizdai gali būti nepatikimi ir ne tokie informatyvūs.