Vedci vykonali prvý test bezdrôtového navigačného systému pre kozmické žiarenie Ars Technica

GPS je teraz základom každodenného života a pomáha nám určiť polohu, navigáciu, sledovanie, mapovanie a načasovanie v širokom spektre aplikácií. Má však určité nevýhody, najmä nemožnosť prechádzať cez budovy, skaly alebo vodu. Japonskí vedci preto vyvinuli alternatívny bezdrôtový navigačný systém, ktorý sa namiesto rádiových vĺn spolieha na kozmické žiarenie alebo mióny. nový papier Publikované v časopise iScience. Tím vykonal prvé úspešné testy a systém by jedného dňa mohli použiť pátracie a záchranné tímy, napríklad na navádzanie robotov pod vodou alebo na pomoc autonómnym vozidlám pri navigácii v podzemí.

„Miony z kozmického žiarenia dopadajú na Zem rovnomerne a vždy sa pohybujú rovnakou rýchlosťou, bez ohľadu na materiál, ktorým prechádzajú, dokonca aj kilometre skál,“ Povedal spoluautor Hiroyuki Tanaka z muografia na Tokijskej univerzite v Japonsku. „Teraz sme pomocou miónov vyvinuli nový typ GPS, ktorý sme nazvali muometrické polohovacie systémy (MUPS), ktoré fungujú pod zemou, vo vnútri a pod vodou.“

Ako už bolo spomenuté, používanie miónu má dlhú históriu Obrázok Archeologické štruktúry, proces je jednoduchší, pretože kozmické žiarenie poskytuje stály prísun týchto častíc. Používa sa aj mión lov na nelegálnu prepravu monitorovať jadrový materiál a aktívne sopky za hranicami v nádeji, že sa im podarí odhaliť, kedy môžu vybuchnúť. 2008, vedec na University of Texas, Austin, dodatočne namontované staré miónové detektory na hľadanie možných skrytých mayských ruín v Belize. Fyzici z Národného laboratória v Los Alamos vyvíjajú prenosné verzie miónových zobrazovacích systémov, aby odhalili tajomstvá formovania kupoly. Katedrála Panny Márie z Kvetu Navrhol ho Filippo Brunelleschi na začiatku 15. storočia vo Florencii v Taliansku.

V roku 2016 vedci používajú miónové zobrazovanie zachytil signály Slávne chevronové bloky na severnej stene naznačujú skrytú chodbu za nimi Veľká pyramída v Gíze v Egypte. Nasledujúci rok ten istý tím objavil záhadnú prázdnotu v inej oblasti pyramídy, pričom veril, že ide o skrytú komoru, ktorá bola neskôr zmapovaná pomocou dvoch rôznych metód. miónové zobrazovanie spôsoby. A práve minulý mesiac vedci použili miónové zobrazovanie na objavenie predtým skrytej komory v ruinách starovekej nekropoly v Neapole, asi 10 metrov (asi 33 stôp) pod moderným Neapolom v Neapole v Taliansku.

Autonómne roboty a vozidlá sa možno jedného dňa stanú samozrejmosťou v domácnostiach, nemocniciach, továrňach a banských operáciách, ako aj pri pátracích a záchranných misiách, no podľa Tanaka zatiaľ nebudú univerzálnym prostriedkom navigácie a určovania polohy. a ďalšie, Ako bolo uvedené, GPS nemôže preniknúť pod zem alebo pod vodu. RFID technológie môžu dosiahnuť dobrú presnosť s malými batériami, ale vyžadujú riadiace centrum so servermi, tlačiarňami, monitormi atď. Mŕtvy výpočet je sužovaný chronickými chybami v odhadoch bez vonkajších podnetov na zabezpečenie korekcie. Akustický, laserový skener a lidarový prístup majú tiež nevýhody. Tanaka a jeho kolegovia sa teda pri vývoji svojho alternatívneho systému obrátili na mióny.

Metódy miónového zobrazovania typicky zahŕňajú komory naplnené plynom. Keď mióny prechádzajú plynom, zrážajú sa s časticami v plyne a vyžarujú jasný záblesk svetla, ktorý je zaznamenaný detektorom, čo umožňuje vedcom vypočítať energiu a trajektóriu častice. Je to podobné ako röntgenové zobrazovanie alebo radar prenikajúci do zeme, s výnimkou použitia prirodzene sa vyskytujúcich vysokoenergetických miónov namiesto röntgenových lúčov alebo rádiových vĺn. Táto vysoká energia umožňuje zobraziť hustú a hustú hmotu. Čím hustejší je zrkadlový objekt, tým viac miónov je blokovaných. Systém MuoGraphics sa spolieha na štyri referenčné stanice na detekciu miónov nad zemou, ktoré slúžia ako súradnice pre prijímače na detekciu miónov, ktoré sú umiestnené buď pod zemou alebo pod vodou.

vykonaný tímom prvý test V roku 2021 sa pomocou poľa podvodných senzorov na báze miónov použije na detekciu rýchlo sa meniacich prílivových podmienok v Tokijskom zálive. Do servisného tunela na ceste Tokyo Bay Aqua-Line, ktorý je asi 45 metrov (147 stôp) pod hladinou mora, umiestnili desať miónových detektorov. Podarilo sa im odfotografovať oceán nad tunelom s priestorovým rozlíšením 10 m (asi 33 stôp) a časovým rozlíšením jeden meter (3,3 stôp), čím preukázali schopnosť systému vnímať silné búrkové vlny alebo cunami.

Súbor bol testovaný v septembri toho istého roku, keď Japonsko zasiahol tajfún prichádzajúci z juhu, ktorý spôsobil menšie vlny oceánu a cunami. nadmerné množstvo vody mierne zvýšené Rozptyl miónov a táto variácia sa dobre zhoduje s inými meraniami vlnenia oceánov. a minulý rok Tanakov tím oznámil, že majú úspešne vymaľované Vertikálny profil cyklónu pomocou muografie ukazuje prierez cyklónu a odhaľuje odchýlky v hustote. Zistili, že horúce jadro malo nízku hustotu, na rozdiel od vysokotlakového studeného exteriéru. V spojení s existujúcimi satelitnými sledovacími systémami môže muografia zlepšiť predpovede cyklónov.

Skoršie iterácie tímu spájali prijímač s pozemnou stanicou pomocou drôtu, čo výrazne obmedzovalo rýchlosť. Táto nová verzia – muometrický bezdrôtový navigačný systém, alebo MuWNS – je, ako už názov napovedá, úplne bezdrôtová a používa vysoko presné kremenné hodiny na synchronizáciu pozemných staníc s prijímačmi. Referenčná stanica a synchronizované hodiny spolu umožňujú určiť súradnice prijímača.

Pri testovacej prevádzke boli pozemné stanice umiestnené na šiestom poschodí budovy a prechádzali po chodbe v suteréne s prijímačom „Navigi“. Výsledné merania boli použité na výpočet kurzu navigátora a potvrdenie prejdenej cesty. Podľa Tanaka MuWNS fungoval s presnosťou 2 až 25 m (6,5 až 82 stôp) s dosahom 100 m (asi 328 stôp). „Je to rovnako dobré, ak nie lepšie, ako jednobodové určovanie polohy GPS nad zemou v mestských oblastiach,“ povedal. „Ale stále to má ďaleko od praktickej úrovne. Ľudia potrebujú presnosť na jeden meter a kľúčom k tomu je synchronizácia času.“

Jedným z riešení by bolo začlenenie komerčne dostupných atómových hodín v čipovej mierke, ktoré sú dvakrát presnejšie ako kremenné hodiny. Ale tieto atómové hodiny sú v súčasnosti veľmi drahé, hoci Tanaka predpokladá zníženie nákladov v budúcnosti, pretože táto technológia sa čoraz viac začleňuje do mobilných telefónov. Zvyšok elektroniky používanej v MuWNS bude ďalej miniaturizovaný, aby sa vytvorilo vreckové zariadenie.

DOI: iScience, 2023. 10.1016/J.ISCI.2023.107000 (o DOI).