Vědci provedli první test radionavigačního systému s kosmickým zářením – Ars Technica

GPS je nyní základem každodenního života a pomáhá nám s určováním polohy, navigací, sledováním, mapováním a načasováním v celé řadě aplikací. Má však určité nevýhody, zejména nemožnost procházet budovami, kameny nebo vodou. To je důvod, proč japonští vědci vyvinuli alternativní radionavigační systém, který se spoléhá spíše na kosmické záření neboli miony než na rádiové vlny. nový list Publikováno v časopise iScience. Tým provedl svůj první úspěšný test a pátrací a záchranné týmy by jednoho dne mohly systém využívat například k navádění robotů pod vodou nebo k navigaci autonomních vozidel v podzemí.

„Miony z kosmického záření dopadají rovnoměrně po celé Zemi a vždy se pohybují stejnou rychlostí bez ohledu na to, jakým materiálem procházejí, a pronikají i kilometry skály.“ řekl spoluautor Hiroyuki Tanaka na Muographix na univerzitě v Tokiu v Japonsku. „Nyní jsme pomocí mionů vyvinuli nový typ GPS, který jsme nazvali muPS, který funguje pod zemí, uvnitř i pod vodou.“

Jak již bylo zmíněno dříve, existuje dlouhá historie používání mionů v Obraz archeologických strukturProces je snazší, protože kosmické záření poskytuje stálý přísun těchto částic. Používá se také mion Chase se nelegálně pohyboval Jaderný materiál na hraničních přechodech a monitorování aktivních sopek v naději, že odhalí, kdy by mohly vybuchnout. V roce 2008 pracovali vědci z Texaské univerzity v AustinuStarověké mionové detektory znovu používané k hledání možných skrytých mayských ruin v Belize. Fyzici z Los Alamos National Laboratory vyvinuli přenosné verze mionových zobrazovacích systémů, aby odhalili tajemství stavby kopule (Il Duomo) na vrcholu. Katedrála Panny Marie z Venuše V italské Florencii jej na počátku 15. století navrhl Filippo Brunelleschi.

V roce 2016 vědci použili mionové zobrazování Zachyťte signály Ukazuje na průchod skrytý za slavnými chevronovými bloky na severní straně Velká pyramida v Gíze v Egyptě. Následující rok tentýž tým objevil záhadnou prázdnotu v jiné oblasti pyramidy a věřil, že by to mohla být skrytá komora, která byla později natřena pomocí dvou různých mionové zobrazování Metody. A právě minulý měsíc vědci pomocí mionového zobrazování objevili komoru dříve ukrytou v troskách starověké neapolské nekropole, asi 10 metrů (asi 33 stop) pod dnešní Neapolí v Itálii.

Roboti a autonomní vozidla by jednoho dne mohly být běžné v domácnostech, nemocnicích, továrnách a důlních operacích, stejně jako při pátracích a záchranných misích, ale zatím neexistuje univerzální prostředek navigace a určování polohy, říká Tanaka. a kol. Jak bylo uvedeno, GPS nemůže proniknout pod zem nebo pod vodu. Technologie RFID mohou dosáhnout dobré přesnosti s malými bateriemi, ale vyžaduje to řídicí centrum se servery, tiskárnami, monitory atd. Mrtvý účet trpí chronickými chybami v odhadu bez externího podnětu, který by poskytl opravu. Akustické metody, laserové skenování a lidar mají také nevýhody. Tanaka a kolegové se tedy při vývoji svého alternativního systému obrátili na miony.

Mionové zobrazovací metody obvykle zahrnují komory naplněné plynem. Když miony procházejí plynem, srážejí se s molekulami plynu a vydávají záblesk světla (záblesk), který zaznamená detektor, což umožňuje vědcům vypočítat energii a trajektorii částice. Je to podobné jako rentgenové paprsky nebo radar pronikající do země, až na to, že miony s vyšší energií se přirozeně vyskytují místo rentgenového záření nebo rádiových vln. Tato vysoká energie umožňuje zobrazit hustou, hustou hmotu. Čím hustší je zobrazovaný objekt, tím více mionů je blokováno. Systém Muographix se opírá o čtyři nadzemní referenční stanice pro detekci mionů, které fungují jako souřadnice pro přijímače detekce mionů, které jsou rozmístěny buď pod zemí nebo pod vodou.

Tým dirigoval první soud z řady podvodních senzorů na bázi mionů v roce 2021, které mají být použity k detekci rychle se měnících přílivových podmínek v Tokijském zálivu. Uvnitř servisního tunelu Tokyo Bay Aqua Line, který se nachází asi 45 metrů (147 stop) pod hladinou moře, umístili deset mionových detektorů. Dokázali zobrazit moře nad tunelem s prostorovým rozlišením 10 metrů (asi 33 stop) a časovým rozlišením 1 metr (3,3 stopy), což je dostatečné pro demonstraci schopnosti systému snímat silné bouřkové vlny nebo tsunami.

Pole bylo testováno v září téhož roku, kdy tajfun přicházející z jihu zasáhl Japonsko, což mělo za následek vlnění oceánu a tsunami. Nadměrný objem vody mírně zvýšené rozptyl mionů a tento rozdíl je v dobré shodě s jinými měřeními oceánské inflace. A minulý rok Tanakův tým oznámil, že právě to udělali Úspěšně natočeno Vertikální profil tornáda pomocí rentgenových snímků, ukazující průřezy tornáda a odhalující rozdíly v intenzitě. Zjistili, že teplé jádro má nízkou hustotu, na rozdíl od studené, vysokotlaké vnější části. V kombinaci se stávajícími satelitními sledovacími systémy může radiografické zobrazování zlepšit předpovědi hurikánů.

Předchozí iterace týmu připevnily přijímač k pozemní stanici pomocí drátu, což značně omezovalo pohyb. Tato nová verze – Muometric Wireless Navigation System nebo MuWNS – jak název napovídá, je zcela bezdrátová a používá vysoce přesné quartzové hodiny k synchronizaci pozemních stanic s přijímačem. Kombinované referenční stanice a synchronní hodiny umožňují určit souřadnice přijímače.

Pro zkušební provoz byly pozemní stanice umístěny v šestém patře budovy a „navigátor“ nesoucí přijímač chodil po chodbách suterénu. Výsledná měření byla použita pro výpočet kurzu navigátora a potvrzení projeté trasy. Podle Tanaka, MuWNS fungoval s přesností mezi 2 a 25 metry (6,5 až 82 stop), s dosahem až 100 metrů (asi 328 stop). „Je to stejně dobré, ne-li lepší než jednobodové určování polohy GPS nad zemí v městských oblastech,“ řekl. „Ale k praktickému použití to má ještě daleko. Lidé potřebují přesnost jednoho metru a klíčem k tomu je synchronizace času.“

Jedním z řešení je začlenit komerčně dostupné atomové hodiny velikosti čipu, které jsou dvakrát přesnější než quartzové hodiny. Ale tyto atomové hodiny jsou právě teď velmi drahé, ačkoli Tanaka očekává, že náklady v budoucnu klesnou, protože tato technologie je více integrována do mobilních telefonů. Zbytek elektroniky používané v MuWNS bude od nynějška minimalizován, aby se z něj stalo přenosné zařízení.

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