27 maja 2025 r.
Metrologia w nowych technologiach
20 maja 1875 roku w Paryżu pierwszych 17 sygnatariuszy podpisało Międzynarodową Konwencję Metryczną. W 2025 roku obchodzona jest 150. rocznica tego wydarzenia, a corocznie 20 maja obchodzony jest Światowy Dzień Metrologii.
Czym jednak jest metrologia i dlaczego jest ona wciąż niezwykle ważna?
Według najprostszej definicji metrologia jest dziedziną nauki obejmującą wszystko (zarówno w zakresie teorii, jak i praktyki), co związane jest z pomiarami i ich zastosowaniem.
Nauka ta jest wykorzystywana w wielu dziedzinach, poczynając od ustalania standardów miary, przez wyznaczanie czasu, badanie czystości wody, pomiary poziomu hałasu, mierzenie długości, masy i ciepła, nawigację satelitarną, klasyczną metrologię przemysłową, wzorcowanie urządzeń pomiarowych aż do zastosowań medycznych i pomiary w nowych technologiach.
Jednym z najnowszych obszarów badań metrologicznych jest nanometrologia, czyli pomiary na niezwykle małą skalę. 1 nanometr (nm) to jednostka miary równa jednej miliardowej części metra, czyli 0,000 000 001 albo 10-9 m. Tego typu pomiary pozwalają na badanie struktur na poziomie komórkowym oraz poznawanie ich właściwości fizycznych i mechanicznych. W Polsce badania nanometrologiczne prowadzone są w Świętokrzyskim Kampusie Laboratoryjnym Głównego Urzędu Miar, m.in. przez specjalistów z doświadczeniem biologicznym i medycznym, którzy prowadzą badania na tkankach nowotworowych.
Dużym wyzwaniem stojącym przed współczesną metrologią jest zarządzanie ogromnymi ilościami danych, które generowane są w laboratoriach i systemach pomiarowych. Według prezesa Głównego Urzędu Miar Jacka Semaniaka, rozwiązaniem które pozwoli metrologii na nadążenie za rosnącą złożonością procesów pomiarowych jest wykorzystanie sztucznej inteligencji. Zastosowanie AI ma pozwolić na uporządkowanie i szybkie analizowanie generowanych danych pomiarowych, co przełoży się na uzyskiwanie szybkich i wiarygodnych wyników. Tworzone przez laboratorium IT w Kielcach cyfrowe bazy danych wyników pomiarów (tzw. chmury metrologiczne) mają ułatwić narzędziom sztucznej inteligencji szybsze i trafniejsze wnioskowanie na podstawie zebranych danych.
Kolejnym wyzwaniem dla metrologii jest wykonywanie pomiarów wykorzystywanych w zielonych technologiach. Jednym z problemów z którymi obecnie mierzą się metrologowie jest opracowanie i standaryzacja metod wiarygodnych pomiarów do wykorzystania w łańcuchach dostaw wodoru. Aby wodór mógł stać się powszechnie dostępnym, bezpiecznym paliwem niezbędne jest opracowanie metod wykrywania jego wycieków czy też pomiarów takich wartości jak ilość i jakość przesyłanego paliwa. Poszukiwaniem rozwiązań dla tych problemów oraz ustalaniem standardów niezbędnych dla bezpiecznego rozwoju technologii wodorowych zajmuje się międzynarodowy projekt badawczy Met4H2 (Metrology for the Hydrogen Supply Chain) w skład którego wchodzą przedstawiciele instytutów metrologicznych, organizacji badawczych i przemysłu.
Innym obszarem zielonej transformacji w którym wykorzystywana jest metrologia jest recykling elektrośmieci. Finansowany ze środków UE projekt LiBforSecUse miał za zadanie opracowanie metod mierzenia poziomu zużycia powszechnie wykorzystywanych baterii litowo-jonowych. Pomiar impedancji (czyli wielkości charakteryzującej zależność natężenia i napięcia prądu w obwodach prądu przemiennego) pozwala m.in. na określenie zdolności baterii do ładowania. Dzięki temu można zdecydować, czy zużyte baterie tego typu nadają się tylko do recyklingu, czy też mogą zostać ponownie wykorzystane w mniej wymagających zastosowaniach. Na przykład częściowo zużyte akumulatory samochodów elektrycznych, które nie nadają się do dalszego użycia w pojazdach, mogą służyć do magazynowania energii.
Metrologia znajduje również zastosowanie w technologiach kwantowych. Obszarem badań prowadzonych w tej dziedzinie jest koncepcja kwantowej dystrybucji klucza (ang. quantum key distribution – QKD) wykorzystywana w zabezpieczaniu komunikacji kwantowej. Proces ten polega na tworzeniu losowego, współdzielonego, tajnego klucza, pozwalającego na szyfrowanie i odczytywanie przesyłanych wiadomości z wykorzystaniem zasad mechaniki kwantowej. Jedną z tych zasad jest to, że sam proces pomiaru układu kwantowego go zaburza. Jeśli niepowołana osoba próbuje podsłuchiwać komunikację prowadzoną przy użyciu QKD, powstają zakłócenia, które mogą zostać zmierzone. Dlatego też metrologia jest tak ważna w przypadku technologii kwantowych – prowadzenie odpowiednich pomiarów jest podstawą bezpiecznej komunikacji. W latach 2019-2024 w ramach Europejskiego programu na rzecz innowacji i badań w dziedzinie metrologii (EMPIR) prowadzona była inicjatywa MeTISQ. W czasie trwania projektu metrolodzy z całej Europy opracowali sposoby wykrywania i blokowania tego rodzaju wycieku informacji.
W Polsce jednostką odpowiadającą za metrologię jest Główny Urząd Miar. Działa on nie tylko na terenie Polski, ale również szeroko współpracuje z jednostkami zagranicznymi, czego przykładem może być udział GUM w ponad 30 unijnych projektach badawczych. Główny Urząd Miar posiada również jeden z najnowocześniejszych ośrodków metrologicznych na obszarze Europy Środkowo-Wschodniej. Otwarty we wrześniu 2024 roku Świętokrzyski Kampus Laboratoryjny Głównego Urzędu Miar położony przy ul. Wrzosowej w Kielcach składa się z ośmiu budynków, w tym laboratoriów: akustyki i drgań, czasu i częstotliwości, długości, masy, termometrii oraz metrologii interdyscyplinarnej. Obecnie kontynuowane są prace mające na celu otwarcie kolejnych laboratoriów – elektryczności oraz promieniowania.
Źródła: