Naukowcy przeprowadzają pierwszy test systemu radionawigacji wykorzystującego promieniowanie kosmiczne – Ars Technica

GPS jest obecnie podstawą codziennego życia, pomagając nam w pozycjonowaniu, nawigacji, śledzeniu, mapowaniu i synchronizacji w szerokim zakresie zastosowań. Ma jednak pewne wady, przede wszystkim niemożność przechodzenia przez budynki, skały lub wodę. Dlatego japońscy naukowcy opracowali alternatywny system nawigacji radiowej, który opiera się na promieniach kosmicznych lub mionach, a nie na falach radiowych. nowy liść Opublikowane w czasopiśmie iScience. Zespół przeprowadził swój pierwszy udany test, a zespoły poszukiwawcze i ratownicze mogą pewnego dnia wykorzystać system, na przykład do kierowania robotami pod wodą lub pomocy autonomicznym pojazdom w poruszaniu się pod ziemią.

„Miony promieniowania kosmicznego padają równomiernie na Ziemię i zawsze poruszają się z tą samą prędkością, bez względu na materiał, przez który przechodzą, penetrując nawet kilometry skał” powiedział współautor Hiroyuki Tanaka Do Muographix na Uniwersytecie Tokijskim w Japonii. „Teraz, używając mionów, opracowaliśmy nowy typ GPS, który nazwaliśmy muPS, który działa pod ziemią, w pomieszczeniach i pod wodą”.

Jak wspomniano wcześniej, istnieje długa historia stosowania mionów w Obraz struktur archeologicznychProces ten jest ułatwiony, ponieważ promienie kosmiczne zapewniają stały dopływ tych cząstek. Używany jest również mion Chase nielegalnie przeniesiony Materiał nuklearny na przejściach granicznych i monitorowanie aktywnych wulkanów, mając nadzieję na wykrycie, kiedy mogą wybuchnąć. W 2008 roku pracowali naukowcy z University of Texas w AustinStarożytne detektory mionów ponownie wykorzystano do poszukiwania ewentualnych ukrytych ruin Majów w Belize. Fizycy z Los Alamos National Laboratory opracowali przenośne wersje systemów obrazowania mionów, aby odkryć sekrety budowy kopuły (Il Duomo) na szczycie Katedra Najświętszej Marii Panny Wenus We Florencji we Włoszech został zaprojektowany przez Filippo Brunelleschiego na początku XV wieku.

W 2016 roku naukowcy wykorzystali obrazowanie mionowe Odbierz sygnały Wskazuje na przejście ukryte za słynnymi blokami jodełki na północnej ścianie Wielka Piramida w Gizie w Egipcie. W następnym roku ten sam zespół odkrył tajemniczą pustkę w innym obszarze piramidy, wierząc, że może to być ukryta komnata, którą później pomalowano dwoma różnymi obrazowanie mionów Metody. W zeszłym miesiącu naukowcy wykorzystali obrazowanie mionowe, aby odkryć komorę ukrytą wcześniej w ruinach starożytnej nekropolii Neapolis, około 10 metrów (około 33 stóp) poniżej dzisiejszego Neapolu we Włoszech.

Roboty i pojazdy autonomiczne mogą pewnego dnia być powszechne w domach, szpitalach, fabrykach i operacjach górniczych, a także w misjach poszukiwawczych i ratowniczych, ale nie ma jeszcze uniwersalnego środka nawigacji i pozycjonowania, mówi Tanaka. i in. Jak wspomniano, GPS nie może przenikać pod ziemię ani pod wodę. Technologie RFID mogą osiągnąć dobrą dokładność przy użyciu małych baterii, ale wymaga to centrum sterowania z serwerami, drukarkami, monitorami itp. Martwe konto cierpi z powodu chronicznych błędów szacunków bez zewnętrznego sygnału do wprowadzenia korekty. Metody akustyczne, skanowanie laserowe i lidar również mają wady. Tak więc Tanaka i współpracownicy zwrócili się ku mionom, opracowując swój alternatywny system.

Metody obrazowania mionów zwykle obejmują komory wypełnione gazem. Gdy miony przeskakują przez gaz, zderzają się z cząsteczkami gazu i emitują błysk światła (błysk), który jest rejestrowany przez detektor, umożliwiając naukowcom obliczenie energii i trajektorii cząstki. Jest podobny do promieniowania rentgenowskiego lub radaru penetrującego ziemię, z wyjątkiem tego, że miony o wyższej energii występują naturalnie zamiast promieni rentgenowskich lub fal radiowych. Ta wysoka energia umożliwia obrazowanie gęstej, gęstej materii. Im gęstszy obrazowany obiekt, tym więcej mionów jest zablokowanych. System Muographix opiera się na czterech naziemnych stacjach referencyjnych do wykrywania mionów, które działają jako współrzędne dla odbiorników do wykrywania mionów, które są rozmieszczone pod ziemią lub pod wodą.

Zespół prowadził pierwsza próba z szeregu podwodnych czujników opartych na mionach w 2021 r., które mają być wykorzystane do wykrywania szybko zmieniających się warunków pływowych w Zatoce Tokijskiej. Umieścili dziesięć detektorów mionów w tunelu serwisowym Tokyo Bay Aqua Line, położonym około 45 metrów (147 stóp) poniżej poziomu morza. Byli w stanie zobrazować morze nad tunelem z rozdzielczością przestrzenną 10 metrów (około 33 stóp) i rozdzielczością czasową 1 metra (3,3 stopy), wystarczającą do zademonstrowania zdolności systemu do wykrywania potężnych fal sztormowych lub tsunami.

Zestaw został przetestowany we wrześniu tego samego roku, kiedy tajfun nadchodzący z południa nawiedził Japonię, powodując falowanie oceanu i tsunami. Nadmierna ilość wody nieznacznie wzrosła dyspersja mionów, a ta różnica jest w dobrej zgodzie z innymi pomiarami inflacji oceanów. W zeszłym roku zespół Tanaki poinformował, że właśnie to zrobili Nakręcony pomyślnie Pionowy profil tornada za pomocą zdjęć rentgenowskich, pokazujących przekroje tornada i ujawniających różnice w intensywności. Odkryli, że ciepły rdzeń ma niską gęstość, w przeciwieństwie do zimnej części zewnętrznej o wysokim ciśnieniu. W połączeniu z istniejącymi satelitarnymi systemami śledzenia, obrazowanie radiograficzne może poprawić prognozy huraganów.

Poprzednie iteracje zespołu łączyły odbiornik ze stacją naziemną za pomocą drutu, co znacznie ograniczało ruch. Ta nowa wersja — Muometric Wireless Navigation System lub MuWNS — jak sama nazwa wskazuje, jest całkowicie bezprzewodowa i wykorzystuje bardzo dokładne zegary kwarcowe do synchronizacji stacji naziemnych z odbiornikiem. Połączone stacje referencyjne i zegary synchroniczne umożliwiają określenie współrzędnych odbiornika.

Na potrzeby testu stacje naziemne umieszczono na szóstym piętrze budynku, a „nawigator” niosący odbiornik spacerował po piwnicznych korytarzach. Uzyskane pomiary posłużyły do ​​obliczenia kursu nawigatora i potwierdzenia obranej trasy. Według Tanaki, MuWNS działał z dokładnością od 2 do 25 metrów (6,5 do 82 stóp), z zasięgiem do 100 metrów (około 328 stóp). „Jest to równie dobre, jeśli nie lepsze niż jednopunktowe pozycjonowanie GPS nad ziemią na obszarach miejskich” – powiedział. „Ale nadal jest to dalekie od praktycznego. Ludzie potrzebują dokładności do jednego metra, a kluczem do tego jest synchronizacja czasu”.

Jednym z rozwiązań jest włączenie dostępnych na rynku zegarów atomowych wielkości chipów, które są dwa razy dokładniejsze niż zegary kwarcowe. Ale te zegary atomowe są obecnie bardzo drogie, chociaż Tanaka spodziewa się, że w przyszłości koszty spadną, ponieważ technologia jest szerzej zintegrowana z telefonami komórkowymi. Reszta elektroniki użytej w MuWNS zostanie od teraz zminimalizowana, aby uczynić go urządzeniem przenośnym.

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