Gli scienziati conducono il primo test di un sistema di radionavigazione a raggi cosmici – Ars Technica

Il GPS è ora un pilastro della vita di tutti i giorni, aiutandoci con posizionamento, navigazione, tracciamento, mappatura e cronometraggio in un’ampia gamma di applicazioni. Ma presenta alcuni inconvenienti, in particolare l’impossibilità di passare attraverso edifici, rocce o acqua. Ecco perché i ricercatori giapponesi hanno sviluppato un sistema di navigazione radio alternativo che si basa sui raggi cosmici, o muoni, piuttosto che sulle onde radio, secondo nuova foglia Pubblicato sulla rivista iScience. Il team ha condotto con successo il suo primo test e le squadre di ricerca e soccorso un giorno potrebbero utilizzare il sistema, ad esempio, per guidare i robot sott’acqua o aiutare i veicoli autonomi a navigare sottoterra.

“I muoni dei raggi cosmici cadono uniformemente sulla Terra e viaggiano sempre alla stessa velocità, indipendentemente dal materiale che attraversano, penetrando anche chilometri di roccia”, ha detto il coautore Hiroyuki Tanaka A Muographix presso l’Università di Tokyo, in Giappone. “Ora, utilizzando i muoni, abbiamo sviluppato un nuovo tipo di GPS, che abbiamo chiamato muPS, che funziona sottoterra, al chiuso e sott’acqua”.

Come accennato in precedenza, esiste una lunga storia di utilizzo dei muoni Immagine di strutture archeologicheIl processo è reso più facile perché i raggi cosmici forniscono un rifornimento costante di queste particelle. Si usa anche il muone Chase si è trasferito illegalmente Materiale nucleare ai valichi di frontiera e monitoraggio dei vulcani attivi, sperando di rilevare quando potrebbero eruttare. Nel 2008, gli scienziati dell’Università del Texas, Austin, hanno lavoratoAntichi rivelatori di muoni riutilizzati per cercare possibili rovine Maya nascoste in Belize. I fisici del Los Alamos National Laboratory hanno sviluppato versioni portatili di sistemi di imaging di muoni per svelare i segreti della costruzione della cupola (Il Duomo) in cima Cattedrale di Santa Maria di Venere A Firenze, in Italia, fu progettato da Filippo Brunelleschi all’inizio del XV secolo.

Nel 2016, gli scienziati hanno utilizzato l’imaging dei muoni Raccogli i segnali Indica un passaggio nascosto dietro i famosi blocchi chevron sulla parete nord del La Grande Piramide di Giza in Egitto. L’anno successivo, lo stesso team scoprì un misterioso vuoto in un’altra zona della piramide, credendo potesse trattarsi di una camera nascosta, che fu successivamente dipinta utilizzando due differenti imaging muonico Metodi. E proprio il mese scorso, gli scienziati hanno utilizzato l’imaging muonico per scoprire una camera precedentemente nascosta tra le rovine dell’antica necropoli di Neapolis, a circa 10 metri (circa 33 piedi) sotto l’attuale Napoli, in Italia.

Un giorno robot e veicoli autonomi potrebbero essere comuni nelle case, negli ospedali, nelle fabbriche e nelle operazioni minerarie, nonché nelle missioni di ricerca e soccorso, ma non esiste ancora un mezzo universale di navigazione e posizionamento, afferma Tanaka. et al. Come notato, il GPS non può penetrare sottoterra o sott’acqua. Le tecnologie RFID possono ottenere una buona precisione con batterie piccole, ma richiedono un centro di controllo con server, stampanti, monitor, ecc. Un account morto soffre di errori di stima cronici senza spunti esterni per fornire una correzione. Anche i metodi acustici, la scansione laser e il lidar presentano degli svantaggi. Quindi Tanaka e colleghi si sono rivolti ai muoni durante lo sviluppo del loro sistema alternativo.

I metodi di imaging dei muoni di solito coinvolgono camere piene di gas. Quando i muoni sfrecciano attraverso il gas, entrano in collisione con le molecole di gas ed emettono un lampo di luce (un lampo), che viene registrato dal rivelatore, consentendo agli scienziati di calcolare l’energia e la traiettoria della particella. È simile ai raggi X o al radar che penetra nel terreno, tranne per il fatto che i muoni ad alta energia si verificano naturalmente al posto dei raggi X o delle onde radio. Questa alta energia rende possibile l’immagine di materia densa e densa. Più denso è l’oggetto ripreso, più muoni vengono bloccati. Il sistema Muographix si basa su quattro stazioni di riferimento per il rilevamento di muoni fuori terra che fungono da coordinate per i ricevitori di rilevamento di muoni, che sono dispiegati sottoterra o sott’acqua.

La squadra ha condotto prima prova da una serie di sensori subacquei basati su muoni nel 2021, da utilizzare per rilevare condizioni di marea in rapida evoluzione nella baia di Tokyo. Hanno posizionato dieci rilevatori di muoni all’interno del tunnel di servizio della Tokyo Bay Aqua Line, situato a circa 45 metri (147 piedi) sotto il livello del mare. Sono stati in grado di visualizzare il mare sopra il tunnel con una risoluzione spaziale di 10 metri (circa 33 piedi) e una risoluzione temporale di 1 metro (3,3 piedi), sufficienti per dimostrare la capacità del sistema di rilevare potenti mareggiate o tsunami.

L’array è stato testato nel settembre dello stesso anno, quando un tifone proveniente da sud ha colpito il Giappone, provocando un’ondata oceanica e uno tsunami. Volume in eccesso di acqua leggermente aumentato dispersione dei muoni, e questa differenza è in buon accordo con altre misurazioni dell’inflazione oceanica. E l’anno scorso, il team di Tanaka ha riferito di aver fatto proprio questo Girato con successo Profilo verticale del tornado mediante radiografie, che mostra sezioni trasversali del tornado e rivela differenze di intensità. Hanno scoperto che il nucleo caldo aveva una bassa densità, in contrasto con la parte esterna fredda e ad alta pressione. In combinazione con i sistemi di tracciamento satellitare esistenti, le immagini radiografiche possono migliorare le previsioni degli uragani.

Le precedenti iterazioni del team collegavano il ricevitore alla stazione di terra con un filo, che limitava notevolmente i movimenti. Questa nuova versione, il Muometric Wireless Navigation System, o MuWNS, come suggerisce il nome, è completamente wireless e utilizza orologi al quarzo estremamente precisi per sincronizzare le stazioni di terra con il ricevitore. Combinati, stazioni di riferimento e orologi sincroni consentono di determinare le coordinate del ricevitore.

Per la corsa di prova, le stazioni di terra sono state collocate al sesto piano dell’edificio e il “navigatore” che trasportava il ricevitore ha percorso i corridoi del seminterrato. Le misurazioni risultanti sono state utilizzate per calcolare la rotta del navigatore e confermare il percorso effettuato. Secondo Tanaka, il MuWNS si è comportato con una precisione compresa tra 2 e 25 metri (da 6,5 ​​a 82 piedi), con una portata fino a 100 metri (circa 328 piedi). “Questo è buono quanto, se non migliore, del posizionamento GPS a punto singolo sul terreno nelle aree urbane”, ha affermato. “Ma è ancora tutt’altro che pratico. Le persone hanno bisogno di una precisione di un metro, e la chiave per questo è la sincronizzazione dell’ora.”

Una soluzione consiste nell’incorporare orologi atomici delle dimensioni di un chip disponibili in commercio, che sono due volte più precisi degli orologi al quarzo. Ma questi orologi atomici sono molto costosi in questo momento, anche se Tanaka prevede che il costo diminuirà in futuro poiché la tecnologia è più ampiamente integrata nei telefoni cellulari. Il resto dell’elettronica utilizzata in MuWNS d’ora in poi sarà ridotta al minimo per renderlo un dispositivo portatile.

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