Учените провеждат първи тест на радионавигационна система за космически лъчи – Ars Technica

GPS вече е опора в ежедневието, като ни помага с позициониране, навигация, проследяване, картографиране и определяне на времето в широк набор от приложения. Но той има някои недостатъци, най-вече невъзможността да преминава през сгради, скали или вода. Ето защо японски изследователи са разработили алтернативна радионавигационна система, която разчита на космически лъчи или мюони, а не на радиовълни, според нов лист Публикувано в списание iScience. Екипът проведе първия си успешен тест и екипите за търсене и спасяване биха могли един ден да използват системата, например за насочване на роботи под вода или за подпомагане на автономни превозни средства да се движат под земята.

„Мюоните на космическите лъчи падат равномерно върху Земята и винаги се движат с една и съща скорост, без значение през какъв материал преминават, прониквайки дори в километри скала,“ каза съавторът Хироюки Танака да се Муографикс в Университета на Токио, Япония. „Сега, използвайки мюони, ние разработихме нов тип GPS, който нарекохме muPS, който работи под земята, на закрито и под вода.“

Както бе споменато по-рано, има дълга история на използване на мюони в Изображение на археологически структуриПроцесът е улеснен, защото космическите лъчи осигуряват стабилно снабдяване с тези частици. Мюон също се използва Чейс незаконно преместен Ядрен материал на граничните пунктове и наблюдение на активни вулкани, надявайки се да открият кога могат да изригнат. През 2008 г. учените от Тексаския университет в Остин са работилиДревни мюонни детектори, използвани повторно за търсене на възможни скрити руини на маите в Белиз. Физиците от Националната лаборатория в Лос Аламос са разработили преносими версии на мюонни системи за изображения, за да разкрият тайните на изграждането на купола (Il Duomo) на върха Катедралата Света Мария на Венера Във Флоренция, Италия, той е проектиран от Филипо Брунелески в началото на 15 век.

През 2016 г. учените използваха мюонни изображения Улавяйте сигналите Той сочи към проход, скрит зад известните шевронни блокове на северната стена на Голямата пирамида в Гиза в Египет. На следващата година същият екип откри мистериозна празнота в друга част на пирамидата, вярвайки, че може да е скрита камера, която по-късно беше боядисана с помощта на две различни мюонно изображение Методи. И само миналия месец учените използваха мюонни изображения, за да открият камера, която преди е била скрита в руините на древния некропол на Неаполис, на около 10 метра (около 33 фута) под днешен Неапол, Италия.

Роботите и автономните превозни средства може един ден да бъдат често срещани в домове, болници, фабрики и минни операции, както и в мисии за търсене и спасяване, но все още няма универсално средство за навигация и позициониране, казва Танака. et al. Както беше отбелязано, GPS не може да проникне под земята или под водата. RFID технологиите могат да постигнат добра точност с малки батерии, но изискват контролен център със сървъри, принтери, монитори и т.н. Мъртъв акаунт страда от хронични грешки в оценката без външен сигнал за предоставяне на корекция. Акустичните методи, лазерното сканиране и лидарът също имат недостатъци. Така Танака и колегите му се обърнаха към мюоните, когато разработваха своята алтернативна система.

Методите за изобразяване на мюони обикновено включват пълни с газ камери. Докато мюоните преминават през газа, те се сблъскват с газовите молекули и излъчват светкавица (светкавица), която се записва от детектора, което позволява на учените да изчислят енергията и траекторията на частицата. Подобно е на рентгеновите лъчи или проникващия в земята радар, с изключение на това, че мюоните с по-висока енергия се появяват естествено вместо рентгенови лъчи или радиовълни. Тази висока енергия прави възможно изобразяването на плътна, плътна материя. Колкото по-плътен е изобразеният обект, толкова повече мюони са блокирани. Системата Muographix разчита на четири надземни референтни станции за откриване на мюони, които действат като координати за приемници за откриване на мюони, които са разположени под земята или под водата.

Екипът проведе първо изпитание от набор от мюонни подводни сензори през 2021 г., които ще бъдат използвани за откриване на бързо променящите се условия на приливи и отливи в Токийския залив. Те са поставили десет мюонни детектора в сервизния тунел на линията Tokyo Bay Aqua Line, разположен на около 45 метра (147 фута) под морското равнище. Те успяха да изобразят морето над тунела с пространствена разделителна способност от 10 метра (около 33 фута) и времева разделителна способност от 1 метър (3,3 фута), достатъчно, за да демонстрира способността на системата да усеща мощни бурни вълни или цунами.

Решетката беше тествана през септември същата година, когато тайфун, идващ от юг, удари Япония, което доведе до океанско вълнение и цунами. Излишен обем вода леко повишена дисперсия на мюони и тази разлика е в добро съгласие с други измервания на океанската инфлация. И миналата година екипът на Танака съобщи, че са направили точно това Заснет успешно Вертикален профил на торнадо с помощта на радиографии, показващи напречни сечения на торнадо и разкриващи разлики в интензитета. Те откриха, че топлото ядро ​​има ниска плътност, за разлика от студената външна част с високо налягане. В комбинация със съществуващите системи за сателитно проследяване радиографските изображения могат да подобрят прогнозите за урагани.

Предишни повторения на екипа прикрепиха приемника към наземната станция с жица, което значително ограничи движението. Тази нова версия – безжичната навигационна система Muometric или MuWNS – както подсказва името, е напълно безжична и използва много точни кварцови часовници за синхронизиране на наземните станции с приемника. Комбинираните референтни станции и синхронни часовници дават възможност за определяне на координатите на приемника.

За теста наземните станции бяха поставени на шестия етаж на сградата, а „навигаторът“, носещ приемника, се разхождаше из коридорите на сутерена. Получените измервания бяха използвани за изчисляване на курса на навигатора и потвърждаване на изминатия маршрут. Според Танака MuWNS работи с точност между 2 и 25 метра (6,5 до 82 фута), с обхват до 100 метра (около 328 фута). „Това е толкова добро, ако не и по-добро от едноточковото GPS позициониране над земята в градските райони“, каза той. „Но все още е далеч от практичното. Хората се нуждаят от точност от един метър и ключът към това е синхронизирането на времето.“

Едно решение е да се включат налични в търговската мрежа атомни часовници с размер на чип, които са два пъти по-точни от кварцовите часовници. Но тези атомни часовници са много скъпи в момента, въпреки че Танака очаква цената да спадне в бъдеще, тъй като технологията е по-широко интегрирана в мобилните телефони. Останалата част от електрониката, използвана в MuWNS, ще бъде сведена до минимум отсега нататък, за да го превърне в преносимо устройство.

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