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Advances in Atom Interferometry and their Impacts on the Performance of Quantum Accelerometers On-board Future Satellite Gravity Missions

HosseiniArani, Alireza und Schilling, Manuel und Beaufils, Quentin und Knabe, Annike und Tennstedt, Benjamin und Kupriyanov, Alexey und Schön, Steffen und Pereira dos Santos, Franck und Müller, Jürgen (2024) Advances in Atom Interferometry and their Impacts on the Performance of Quantum Accelerometers On-board Future Satellite Gravity Missions. Advances in Space Research, 74, Seiten 3186-3200. Elsevier. doi: 10.1016/j.asr.2024.06.055. ISSN 0273-1177.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
3MB

Offizielle URL: https://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2024.06.055

Kurzfassung

Recent advances in cold atom interferometry have cleared the path for space applications of quantum inertial sensors, whose level of stability is expected to increase dramatically with the longer interrogation times accessible in space. In this study, an in-orbit model is developed for a Mach-Zehnder-type cold-atom accelerometer. Performance tests are realized under different assumptions about the positioning and rotation compensation method, and the impact of various sources of errors on instrument stability is evaluated. Current and future advances for space-based atom interferometry are discussed, and their impact on the performance of quantum sensors on-board satellite gravity missions is investigated in three different scenarios: state-of-the-art scenario (expected to be ready to launch in 5 years), near-future (expected to be launched in the next 10 to 15 years) and far-future scenarios (expected for the next 20 to 25 years). Our results indicate that the highest sensitivity is achievable by positioning the electrostatic accelerometer at the center of mass of the satellite and the quantum accelerometer aside, on the cross-track axis of the satellite. We show that one can achieve a sensitivity level close to 5×10e-10 m/s²/sqrt(Hz) with the current state-of-the-art technology. We also estimate that in the near and far-future, atom interferometry in space is expected to achieve sensitivity levels of 1×10e-11 m/s²/sqrt(Hz) and 1×10e-12 m/s²/sqrt(Hz), respectively. A roadmap for improvements in atom interferometry is provided that would maximize the performance of future quantum accelerometers, considering their technical capabilities. Finally, the possibility and challenges of having ultra-sensitive atom interferometry in space for future space missions are discussed.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/205171/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Advances in Atom Interferometry and their Impacts on the Performance of Quantum Accelerometers On-board Future Satellite Gravity Missions
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
HosseiniArani, AlirezaInstitut für Erdmessung, Leibniz Universität Hannoverhttps://orcid.org/0000-0002-5080-7094NICHT SPEZIFIZIERT
Schilling, ManuelManuel.Schilling (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9677-0119NICHT SPEZIFIZIERT
Beaufils, QuentinLNE--SYRTE, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, 61, avenue de l'Observatoire, F--75014 PARIS, France, Paris, FRANCENICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Knabe, AnnikeInstitut für Erdmessung, Leibniz Universität Hannoverhttps://orcid.org/0000-0002-6603-8648NICHT SPEZIFIZIERT
Tennstedt, BenjaminInstitut für Erdmessung, Leibniz Universität Hannoverhttps://orcid.org/0000-0003-4362-0667NICHT SPEZIFIZIERT
Kupriyanov, AlexeyInstitut für Erdmessung, Leibniz Universität Hannover, Germanyhttps://orcid.org/0000-0002-0743-5889NICHT SPEZIFIZIERT
Schön, SteffenInstitut für Erdmessung, Leibniz Universität Hannoverhttps://orcid.org/0000-0002-5042-6742NICHT SPEZIFIZIERT
Pereira dos Santos, FranckLNE--SYRTE, Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université, 61, avenue de l'Observatoire, F--75014 PARIS, France, Paris, FRANCEhttps://orcid.org/0000-0003-0659-5028NICHT SPEZIFIZIERT
Müller, JürgenInstitut für Erdmessung, Leibniz Universität Hannover, Germanyhttps://orcid.org/0000-0003-1247-9525NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:26 Juni 2024
Erschienen in:Advances in Space Research
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:74
DOI:10.1016/j.asr.2024.06.055
Seitenbereich:Seiten 3186-3200
Verlag:Elsevier
ISSN:0273-1177
Status:veröffentlicht
Stichwörter:satellite gravimetry, quantum sensor, atom interferometry
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Kommunikation, Navigation, Quantentechnologien
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R KNQ - Kommunikation, Navigation, Quantentechnologie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Missionsstudie CARIOQA [KNQ], R - Inertial Sensing for Space Applications
Standort: Hannover
Institute & Einrichtungen:Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik > Satellitengeodäsie und geodätische Modellierung
Hinterlegt von: Schilling, Manuel
Hinterlegt am:30 Jul 2024 11:20
Letzte Änderung:11 Nov 2024 14:45

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