Учёные создали компактный ротор размером с песчинку, который способен длительно вращаться без механической опоры и может заменить спутниковую навигацию в местах, где GPS недоступен. Технология открывает новые возможности для подводных аппаратов, подземных сооружений и других закрытых пространств.

Микроскопический ротор продолжал работать свыше 10 часов после остановки привода, теряя энергию минимально. Благодаря исключительной стабильности установка функционирует как высокочувствительный гироскоп, фиксирующий едва заметные смещения. Перспективное применение включает использование в условиях, где спутниковая навигация невозможна.

Устройство удерживается в воздухе посредством диамагнитной левитации. Диамагнитные материалы отталкиваются от сильного магнитного поля, позволяя объекту зависнуть без физической поддержки. Отсутствие контакта с подшипниками значительно снижает трение и потери энергии.

Одна левитация недостаточна для продолжительного вращения. Движение проводящего объекта в неравномерном магнитном поле генерирует вихревые электрические токи. Согласно принципу Ленца, возникающее магнитное поле противостоит изменению, которое его создало. Часть кинетической энергии преобразуется в тепло, замедляя ротор. Вихревые токи долгое время препятствовали развитию диамагнитных систем.

Решение найдено благодаря вращательной симметрии конструкции. При каждом полном обороте вокруг центральной оси ротор находится в практически идентичном магнитном окружении. Магнитное поле изменяется минимально относительно материала, поэтому вихревые токи формируются слабо и потребляют мало энергии.

Различие между типами движения оказалось огромным — примерно в сто тысяч раз. При вращении вокруг оси энергия рассеивается в 100 000 раз медленнее, чем при боковых и вертикальных колебаниях. Зафиксированная скорость затухания составила 3,85 микрогерца. Для механического устройства миллиметрового масштаба такие низкие потери — беспрецедентное достижение.

Размер критически важен для конструкции. Крупный механический объект активнее реагирует на слабые внешние воздействия, что необходимо для точных измерений. Однако по мере увеличения размеров сложнее поддерживать минимальные потери энергии. Разработанная технология соединила миллиметровый размер с чрезвычайно медленным затуханием.

При экспериментах ротор ускорили до 930 оборотов в минуту, используя управляемые электростатические силы. После выключения мотора в вакууме устройство продолжало свободно вращаться свыше 10 часов.

Надёжная работа позволила использовать систему как гироскоп. Гироскопы отслеживают изменения ориентации и входят в состав инерциальных навигационных систем. Такая навигация независима от спутниковых сигналов: система следит за движением по показаниям встроенных датчиков.

Опытный гироскоп смог регистрировать вращение с чувствительностью 0,0065 градуса в секунду. Полученная точность соответствует коммерческим стандартам. Математические модели указывают, что после усовершенствования прибор может достичь параметров навигационного класса, обеспечивающих точность на долгие периоды работы.

Это различие критично для техники, работающей без GPS продолжительное время. Спутниковые сигналы слабо проникают под воду, поэтому подводные роботы ориентируются с помощью инерциальных датчиков. Аналогичная проблема возникает в туннелях, подземных выработках, защищённых помещениях и других местах, куда не проникают спутниковые сигналы.

Инерциальная система навигации постепенно накапливает погрешности. Малейшее отклонение в показаниях гироскопа влияет на последующие расчёты, поэтому определённое положение всё больше расходится с действительностью. Чем точнее датчик измеряет угловое движение, тем продолжительнее система может действовать без внешней калибровки.

Опытная система сочетает пассивную левитацию микроротора, функционирование при комнатной температуре, скорость до 930 оборотов в минуту и минимальные потери энергии во время вращения. Отсутствие низкотемпературного охлаждения упрощает конструкцию в сравнении с установками, требующими криогенных температур для повышения чувствительности.

Исследователи намерены увеличить угловую скорость ротора, улучшить надёжность вращения и сократить размеры управляющего оборудования. Отдельная цель — создание компактных управляющих, разгонных и измерительных систем.

В будущем учёные рассчитывают превратить лабораторный прототип в доступную сенсорную платформу для практической навигации. На данный момент технология находится в экспериментальной стадии, но следующей целью является достижение характеристик навигационного класса точности.