A tudósok elvégzik az Ars Technica kozmikus sugárzású rádiónavigációs rendszer első tesztjét

A GPS ma már a mindennapi élet alappillére, amely számos alkalmazásban segít a helymeghatározásban, a navigációban, a nyomon követésben, a térképezésben és az időzítésben. De van néhány hátránya, leginkább az, hogy képtelen áthaladni az épületeken, sziklákon vagy vízen. A japán kutatók ezért fejlesztettek ki egy alternatív rádiónavigációs rendszert, amely nem rádióhullámokra, hanem kozmikus sugarakra, vagyis müonokra támaszkodik. új levél Megjelent az iScience folyóiratban. A csapat elvégezte az első sikeres tesztet, és a kutató-mentő csapatok egy napon használhatják a rendszert például robotok víz alá vezetésére, vagy autonóm járművek föld alatti navigálásában.

„A kozmikus sugárzás müonjai egyenletesen esnek végig a Földön, és mindig ugyanazzal a sebességgel haladnak, bármilyen anyagon haladnak át, akár kilométernyi kőzeten is áthatolnak.” – mondta Hiroyuki Tanaka társszerző nak nek Muographix a Tokiói Egyetemen, Japánban. „Most müonok segítségével kifejlesztettünk egy új típusú GPS-t, amit muPS-nek hívtunk, és amely a föld alatt, beltéren és víz alatt is működik.”

Mint korábban említettük, a müonok használatának hosszú története van Régészeti építmények képeA folyamat könnyebbé válik, mert a kozmikus sugarak folyamatos ellátást biztosítanak ezekből a részecskékből. Muon is használatos Chase illegálisan költözött Nukleáris anyagok a határátkelőhelyeken és az aktív vulkánok megfigyelése, annak reményében, hogy észlelik, mikor törhetnek ki. 2008-ban az austini Texasi Egyetem tudósai dolgoztakAz ősi müondetektorokat újra felhasználták a lehetséges rejtett maja romok felkutatására Belize-ben. A Los Alamos National Laboratory fizikusai müon képalkotó rendszerek hordozható változatait fejlesztették ki, hogy feltárják a kupola (Il Duomo) felépítésének titkait a tetején. Vénusz Szent Mária-székesegyház Az olaszországi Firenzében Filippo Brunelleschi tervezte a 15. század elején.

2016-ban a tudósok müonképalkotást használtak Vedd fel a jeleket Egy átjáróra mutat, amely a híres chevron blokkok mögött rejtőzik az északi oldalán A gízai nagy piramis Egyiptomban. A következő évben ugyanaz a csapat egy rejtélyes űrt fedezett fel a piramis egy másik részén, mert azt hitték, hogy ez egy rejtett kamra lehet, amelyet később két különböző festéssel festettek meg. müon képalkotás Mód. És éppen a múlt hónapban a tudósok müon-leképezéssel fedeztek fel egy kamrát, amely korábban az ókori nápolyi nekropolisz romjai között rejtőzött, körülbelül 10 méterrel (kb. 33 láb) a mai Nápoly (Olaszország) alatt.

A robotok és az autonóm járművek egy napon általánosak lehetnek az otthonokban, kórházakban, gyárakban és bányászati ​​műveletekben, valamint kutató-mentő missziókban, de még nincs univerzális navigációs és helymeghatározási eszköz – mondja Tanaka. et al. Mint már említettük, a GPS nem tud behatolni a föld alá vagy a víz alá. Az RFID-technológiák kis akkumulátorral is jó pontosságot tudnak elérni, de ehhez egy vezérlőközpont szükséges szerverekkel, nyomtatókkal, monitorokkal stb. Egy halott fiók krónikus becslési hibáktól szenved, és nincs külső jelzés a javításhoz. Az akusztikus módszereknek, a lézeres szkennelésnek és a lidarnak is vannak hátrányai. Így Tanaka és munkatársai a müonokhoz fordultak alternatív rendszerük kidolgozásakor.

A müon képalkotó módszerek általában gázzal töltött kamrákat foglalnak magukban. Ahogy a müonok átsiklik a gázon, összeütköznek a gázmolekulákkal, és fényvillanást (villanást) bocsátanak ki, amelyet a detektor rögzít, így a tudósok kiszámíthatják a részecske energiáját és pályáját. Hasonló a röntgensugárzáshoz vagy a talajradarhoz, azzal a különbséggel, hogy a nagyobb energiájú müonok a természetben fordulnak elő röntgensugárzás vagy rádióhullámok helyett. Ez a nagy energia lehetővé teszi a sűrű, sűrű anyag leképezését. Minél sűrűbb a leképezett objektum, annál több müon van blokkolva. A Muographix rendszer négy föld feletti müonérzékelési referenciaállomásra támaszkodik, amelyek a müonészlelő vevők koordinátáiként működnek, amelyeket akár a föld alatt, akár a víz alatt helyeznek el.

A csapat dirigált első tárgyalás müonalapú víz alatti érzékelők sorából 2021-ben, amelyeket a Tokiói-öbölben gyorsan változó árapályviszonyok észlelésére fognak használni. Tíz müondetektort helyeztek el a Tokyo Bay Aqua Line szolgáltatási alagútjában, amely körülbelül 45 méterrel (147 láb) található a tengerszint alatt. Képesek voltak leképezni az alagút feletti tengert 10 méteres (körülbelül 33 láb) térbeli és 1 méteres (3,3 láb) időbeli felbontással, ami elegendő annak bizonyítására, hogy a rendszer képes érzékelni az erős viharhullámokat vagy szökőárokat.

A tömböt ugyanazon év szeptemberében tesztelték, amikor egy dél felől érkező tájfun sújtotta Japánt, ami az óceán hullámzását és szökőárt okozott. Túlzott vízmennyiség kissé megnövekedett a müonok diszperziója, és ez a különbség jó összhangban van az óceánok inflációjának más méréseivel. Tavaly pedig Tanaka csapata arról számolt be, hogy ezt tették Sikeresen leforgatták Tornádó függőleges profilja röntgenfelvételek segítségével, amely a tornádó keresztmetszetét mutatja, és feltárja az intenzitásbeli különbségeket. Felfedezték, hogy a meleg magnak alacsony a sűrűsége, ellentétben a hideg, nagynyomású külső részével. A meglévő műholdas nyomkövető rendszerekkel kombinálva a radiográfiai képalkotás javíthatja a hurrikán előrejelzéseket.

A csapat korábbi iterációi során a vevőt vezetékkel rögzítették a földi állomáshoz, ami nagymértékben korlátozta a mozgást. Ez az új verzió – a Muometric Wireless Navigation System vagy MuWNS – ahogy a neve is sugallja, teljesen vezeték nélküli, és rendkívül pontos kvarcórákat használ a földi állomások szinkronizálására a vevővel. Kombinált referenciaállomások és szinkronórák lehetővé teszik a vevő koordinátáinak meghatározását.

A próbaüzemhez a földi állomásokat az épület hatodik emeletén helyezték el, a vevőt szállító „navigátor” pedig körbejárta az alagsori folyosókat. A kapott mérések alapján kiszámították a navigátor irányát és megerősítették a megtett útvonalat. Tanaka szerint a MuWNS 2 és 25 méter (6,5-82 láb) közötti pontossággal, 100 méteres hatótávolságig teljesített. „Ez olyan jó, ha nem jobb, mint az egypontos GPS helymeghatározás a föld felett városi területeken” – mondta. „De ez még mindig messze van a praktikustól. Az embereknek egy méteres pontosságra van szükségük, és ennek kulcsa az időszinkronizálás.”

Az egyik megoldás a kereskedelemben kapható chip méretű atomórák beépítése, amelyek kétszer olyan pontosak, mint a kvarcórák. De ezek az atomórák jelenleg nagyon drágák, bár a Tanaka arra számít, hogy a költségek a jövőben csökkenni fognak, mivel a technológiát szélesebb körben integrálják a mobiltelefonokba. A MuWNS-ben használt elektronika többi részét mostantól minimálisra csökkentik, hogy hordozható eszköz legyen.

DOI: iScience, 2023. 10.1016/j.isci.2023.107000 (a DOI-król).