Ученые проводят первое испытание радионавигационной системы космических лучей — Ars Technica

В настоящее время GPS является основой повседневной жизни, помогая нам с позиционированием, навигацией, отслеживанием, картированием и синхронизацией в широком спектре приложений. Но у него есть некоторые недостатки, в первую очередь невозможность пройти сквозь здания, скалы или воду. Вот почему японские исследователи разработали альтернативную радионавигационную систему, которая полагается на космические лучи или мюоны, а не на радиоволны. Новый лист Опубликовано в журнале iScience. Команда провела свое первое успешное испытание, и поисково-спасательные службы однажды смогут использовать систему, например, для управления роботами под водой или для помощи автономным транспортным средствам в навигации под землей.

«Мюоны космических лучей равномерно падают на Землю и всегда движутся с одной и той же скоростью, независимо от того, через какой материал они проходят, проникая даже в километры горных пород». сказал соавтор Хироюки Танака к Муографикс в Токийском университете, Япония. «Теперь, используя мюоны, мы разработали новый тип GPS, который мы назвали muPS, который работает под землей, в помещении и под водой».

Как упоминалось ранее, существует долгая история использования мюонов в Изображение археологических сооруженийПроцесс упрощается, потому что космические лучи обеспечивают постоянный приток этих частиц. Мюон также используется Чейз незаконно переехал Ядерный материал на пограничных переходах и наблюдение за действующими вулканами в надежде обнаружить, когда они могут извергнуться. В 2008 году ученые Техасского университета в Остине работалиДревние детекторы мюонов повторно использовались для поиска возможных скрытых руин майя в Белизе. Физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали портативные версии систем визуализации мюонов, чтобы раскрыть секреты строительства купола (Il Duomo) на вершине Собор Святой Марии Венеры Во Флоренции, Италия, он был спроектирован Филиппо Брунеллески в начале 15 века.

В 2016 году ученые использовали мюонную визуализацию Поднимите сигналы Он указывает на проход, спрятанный за знаменитыми шевронными блоками на северной стороне Великая пирамида Гизы в Египте. В следующем году та же команда обнаружила загадочную пустоту в другом месте пирамиды, полагая, что это могла быть скрытая камера, которую позже раскрасили с помощью двух разных рисунков. мюонная визуализация Методы. И только в прошлом месяце ученые использовали мюонную визуализацию, чтобы обнаружить камеру, ранее скрытую в руинах древнего некрополя Неаполь, примерно на 10 метров (около 33 футов) ниже современного Неаполя, Италия.

Роботы и автономные транспортные средства однажды могут стать обычным явлением в домах, больницах, на фабриках и в горнодобывающих предприятиях, а также в поисково-спасательных миссиях, но универсальных средств навигации и позиционирования пока нет, говорит Танака. и другие. Как уже отмечалось, GPS не может проникать под землю или под воду. Технологии RFID могут обеспечить хорошую точность при использовании небольших батарей, но для этого требуется центр управления с серверами, принтерами, мониторами и т. д. Мертвая учетная запись страдает от хронических ошибок оценки без внешнего сигнала для исправления. Акустические методы, лазерное сканирование и лидар также имеют недостатки. Поэтому Танака и его коллеги обратились к мюонам при разработке своей альтернативной системы.

Методы визуализации мюонов обычно включают камеры, заполненные газом. Когда мюоны проносятся через газ, они сталкиваются с молекулами газа и испускают вспышку света (вспышку), которая регистрируется детектором, что позволяет ученым рассчитать энергию и траекторию частицы. Это похоже на рентгеновские лучи или георадар, за исключением того, что мюоны с более высокой энергией возникают естественным образом вместо рентгеновских лучей или радиоволн. Эта высокая энергия позволяет изображать плотную, плотную материю. Чем плотнее отображаемый объект, тем больше мюонов блокируется. Система Muographix основана на четырех наземных опорных станциях обнаружения мюонов, которые действуют как координаты для приемников обнаружения мюонов, которые развернуты либо под землей, либо под водой.

Команда провела первое испытание из массива подводных датчиков на основе мюонов в 2021 году, которые будут использоваться для обнаружения быстро меняющихся приливных условий в Токийском заливе. Они разместили десять мюонных детекторов в служебном туннеле линии Tokyo Bay Aqua Line, расположенной примерно на 45 метров (147 футов) ниже уровня моря. Они смогли сфотографировать море над туннелем с пространственным разрешением 10 метров (около 33 футов) и временным разрешением 1 метр (3,3 фута), что было достаточно, чтобы продемонстрировать способность системы обнаруживать мощные штормовые волны или цунами.

Массив был испытан в сентябре того же года, когда тайфун, идущий с юга, обрушился на Японию, вызвав волну океана и цунами. Избыточный объем воды слегка увеличен дисперсии мюонов, и эта разница хорошо согласуется с другими измерениями инфляции океана. И в прошлом году команда Танаки сообщила, что они сделали именно это. Снято успешно Вертикальный профиль торнадо с использованием рентгенограмм, показывающих поперечные сечения торнадо и выявляющих различия в интенсивности. Они обнаружили, что теплое ядро ​​имеет низкую плотность, в отличие от холодной внешней части с высоким давлением. В сочетании с существующими системами спутникового слежения радиографические изображения могут улучшить прогнозы ураганов.

Предыдущие итерации команды прикрепляли приемник к наземной станции с помощью провода, что сильно ограничивало движение. Эта новая версия — мюометрическая беспроводная навигационная система, или MuWNS, — как следует из названия, полностью беспроводная и использует высокоточные кварцевые часы для синхронизации наземных станций с приемником. Комбинированные, опорные станции и синхронные часы позволяют определять координаты приемника.

Для пробного запуска наземные станции были размещены на шестом этаже здания, а «штурман» с приемником ходил по подвальным коридорам. Полученные измерения использовались для расчета курса штурмана и подтверждения пройденного маршрута. По словам Танаки, MuWNS работает с точностью от 2 до 25 метров (от 6,5 до 82 футов) и с дальностью до 100 метров (около 328 футов). «Это так же хорошо, если не лучше, чем одноточечное GPS-позиционирование над землей в городских районах», — сказал он. «Но это все еще далеко от практического применения. Людям нужна точность в один метр, и ключом к этому является синхронизация времени».

Одним из решений является использование коммерчески доступных атомных часов размером с микросхему, которые в два раза точнее кварцевых часов. Но эти атомные часы сейчас очень дороги, хотя Танака ожидает, что в будущем стоимость снизится, поскольку технология все больше интегрируется в мобильные телефоны. Остальная электроника, используемая в MuWNS, теперь будет сведена к минимуму, чтобы сделать его портативным устройством.

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