Oamenii de știință efectuează primul test al unui sistem de radionavigație cu raze cosmice – Ars Technica

GPS-ul este acum un pilon al vieții de zi cu zi, ajutându-ne cu poziționare, navigare, urmărire, cartografiere și cronometrare într-o gamă largă de aplicații. Dar are unele dezavantaje, în special incapacitatea de a trece prin clădiri, roci sau apă. De aceea, cercetătorii japonezi au dezvoltat un sistem alternativ de radionavigație care se bazează pe raze cosmice, sau muoni, mai degrabă decât pe unde radio, potrivit frunză nouă Publicat în jurnalul iScience. Echipa a efectuat primul său test de succes, iar echipele de căutare și salvare ar putea într-o zi să folosească sistemul, de exemplu, pentru a ghida roboții sub apă sau pentru a ajuta vehiculele autonome să navigheze în subteran.

„Muonii razelor cosmice cad uniform pe Pământ și călătoresc întotdeauna cu aceeași viteză, indiferent de materialul prin care trec, pătrunzând chiar și kilometri de rocă.” a spus coautorul Hiroyuki Tanaka la Muographix la Universitatea din Tokyo, Japonia. „Acum, folosind muoni, am dezvoltat un nou tip de GPS, pe care l-am numit muPS, care funcționează sub pământ, în interior și sub apă”.

După cum am menționat mai devreme, există o lungă istorie de utilizare a muonilor în Imaginea structurilor arheologiceProcesul este simplificat deoarece razele cosmice asigură o aprovizionare constantă a acestor particule. Se folosește și muonul Chase s-a mutat ilegal Material nuclear la punctele de trecere a frontierei și monitorizarea vulcanilor activi, în speranța de a detecta când ar putea erupe. În 2008, oamenii de știință de la Universitatea din Texas, Austin, au lucratDetectoare de muoni antice refolosite pentru a căuta posibile ruine mayașe ascunse în Belize. Fizicienii de la Laboratorul Național Los Alamos au dezvoltat versiuni portabile ale sistemelor de imagistică cu muoni pentru a dezvălui secretele construcției cupolei (Il Duomo) pe vârf. Catedrala Sfânta Maria din Venus În Florența, Italia, a fost proiectat de Filippo Brunelleschi la începutul secolului al XV-lea.

În 2016, oamenii de știință au folosit imagistica cu muoni Ridicați semnalele Indică un pasaj ascuns în spatele celebrelor blocuri chevron de pe faţa de nord a Marea Piramida din Giza în Egipt. În anul următor, aceeași echipă a descoperit un gol misterios într-o altă zonă a piramidei, crezând că ar putea fi o cameră ascunsă, care a fost pictată ulterior folosind două imagistica muonică Metode. Și chiar luna trecută, oamenii de știință au folosit imagistica cu muoni pentru a descoperi o cameră ascunsă anterior în ruinele necropolei antice Neapolis, la aproximativ 10 metri (aproximativ 33 de picioare) sub actuala Napoli, Italia.

Roboții și vehiculele autonome ar putea fi într-o zi obișnuiți în case, spitale, fabrici și operațiuni miniere, precum și în misiunile de căutare și salvare, dar nu există încă un mijloc universal de navigare și poziționare, spune Tanaka. et al. După cum sa menționat, GPS-ul nu poate pătrunde sub pământ sau sub apă. Tehnologiile RFID pot obține o precizie bună cu bateriile mici, dar necesită un centru de control cu ​​servere, imprimante, monitoare etc. Un cont mort suferă de erori cronice de estimare fără niciun indiciu extern care să ofere o corecție. Metodele acustice, scanarea laser și lidar au, de asemenea, dezavantaje. Așa că Tanaka și colegii au apelat la muoni atunci când și-au dezvoltat sistemul alternativ.

Metodele de imagistică cu muoni implică de obicei camere umplute cu gaz. Pe măsură ce muonii trec prin gaz, ei se ciocnesc cu moleculele de gaz și emit un fulger de lumină (un fulger), care este înregistrat de detector, permițând oamenilor de știință să calculeze energia și traiectoria particulei. Este similar cu razele X sau cu radarul care pătrunde la sol, cu excepția faptului că muonii cu energie mai mare apar în mod natural în loc de razele X sau undele radio. Această energie ridicată face posibilă imaginea materiei dense, dense. Cu cât obiectul din imagine este mai dens, cu atât mai mulți muoni sunt blocați. Sistemul Muographix se bazează pe patru stații de referință de detecție a muoniilor deasupra solului care acționează ca coordonate pentru receptorii de detectare a muoniilor, care sunt instalate fie subteran, fie sub apă.

Echipa a condus primul proces dintr-o serie de senzori subacvatici pe bază de muoni în 2021, pentru a fi utilizați pentru a detecta schimbările rapide ale condițiilor de maree în Golful Tokyo. Ei au plasat zece detectoare de muoni în interiorul tunelului de serviciu al Tokyo Bay Aqua Line, situat la aproximativ 45 de metri (147 de picioare) sub nivelul mării. Ei au reușit să imagineze marea deasupra tunelului cu o rezoluție spațială de 10 metri (aproximativ 33 de picioare) și o rezoluție temporală de 1 metru (3,3 picioare), suficientă pentru a demonstra capacitatea sistemului de a detecta valuri puternice de furtună sau tsunami.

Sistemul a fost testat în septembrie a aceluiași an, când un taifun care venea din sud a lovit Japonia, rezultând o umflătură oceanică și un tsunami. Volumul de apă în exces Ușor crescut dispersia muonilor, iar această diferență este în acord cu alte măsurători ale inflației oceanului. Și anul trecut, echipa lui Tanaka a raportat că tocmai asta a făcut Filmat cu succes Profil vertical de tornadă folosind radiografii, care arată secțiuni transversale ale tornadei și dezvăluie diferențele de intensitate. Ei au descoperit că miezul cald avea o densitate scăzută, în contrast cu partea exterioară rece, de înaltă presiune. În combinație cu sistemele existente de urmărire prin satelit, imagistica radiografică poate îmbunătăți prognozele pentru uragane.

Iterațiile anterioare ale echipei au atașat receptorul la stația de la sol cu ​​un fir, ceea ce a limitat foarte mult mișcarea. Această nouă versiune – Muometric Wireless Navigation System, sau MuWNS – după cum sugerează și numele, este complet wireless și folosește ceasuri de cuarț foarte precise pentru a sincroniza stațiile de la sol cu ​​receptorul. Stațiile de referință combinate și ceasurile sincrone fac posibilă determinarea coordonatelor receptorului.

Pentru rularea de probă, stațiile de la sol au fost amplasate la etajul șase al clădirii, iar „navigatorul” care transporta receptorul s-a plimbat pe coridoarele de la subsol. Măsurătorile rezultate au fost folosite pentru a calcula cursul navigatorului și a confirma traseul parcurs. Potrivit lui Tanaka, MuWNS a funcționat cu o precizie cuprinsă între 2 și 25 de metri (6,5 până la 82 de picioare), cu o rază de acțiune de până la 100 de metri (aproximativ 328 de picioare). „Aceasta este la fel de bună, dacă nu mai bună decât poziționarea GPS într-un singur punct deasupra solului în zonele urbane”, a spus el. „Dar este încă departe de a fi practic. Oamenii au nevoie de o precizie de un metru, iar cheia acestui lucru este sincronizarea timpului”.

O soluție este să încorporeze ceasuri atomice de dimensiunea unui cip, disponibile în comerț, care sunt de două ori mai precise decât ceasurile de cuarț. Dar aceste ceasuri atomice sunt foarte scumpe acum, deși Tanaka se așteaptă ca costul să scadă în viitor, deoarece tehnologia este mai larg integrată în telefoanele mobile. Restul componentelor electronice folosite în MuWNS vor fi minimizate de acum înainte pentru a face din acesta un dispozitiv portabil.

DOI: iScience, 2023. 10.1016/j.isci.2023.107000 (despre DOI).