Wissenschaftler führen ersten Test eines Funknavigationssystems für kosmische Strahlung durch – Ars Technica

GPS ist heute eine tragende Säule des täglichen Lebens und hilft uns bei der Positionierung, Navigation, Verfolgung, Kartierung und Zeitmessung in einer Vielzahl von Anwendungen. Es hat jedoch einige Nachteile, insbesondere die Unfähigkeit, durch Gebäude, Felsen oder Wasser zu gelangen. Aus diesem Grund haben japanische Forscher ein alternatives Funknavigationssystem entwickelt, das auf kosmischer Strahlung oder Myonen statt auf Radiowellen basiert, heißt es neues Blatt Veröffentlicht in der Zeitschrift iScience. Das Team führte seinen ersten erfolgreichen Test durch und Such- und Rettungsteams könnten das System eines Tages beispielsweise nutzen, um Roboter unter Wasser zu steuern oder autonomen Fahrzeugen bei der Navigation unter der Erde zu helfen.

„Myonen der kosmischen Strahlung fallen gleichmäßig über die Erde und bewegen sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit, egal welches Material sie durchdringen, und durchdringen sogar kilometerlanges Gestein.“ sagte Co-Autor Hiroyuki Tanaka Zu Muographix an der Universität Tokio, Japan. „Jetzt haben wir mithilfe von Myonen einen neuen GPS-Typ entwickelt, den wir muPS nennen und der unter der Erde, in Innenräumen und unter Wasser funktioniert.“

Wie bereits erwähnt, gibt es eine lange Geschichte der Verwendung von Myonen Bild archäologischer StrukturenDer Prozess wird erleichtert, weil kosmische Strahlung für eine stetige Versorgung mit diesen Teilchen sorgt. Myon wird ebenfalls verwendet Chase ist illegal umgezogen Nukleares Material an Grenzübergängen und Überwachung aktiver Vulkane, in der Hoffnung, zu erkennen, wann sie ausbrechen könnten. Im Jahr 2008 arbeiteten Wissenschaftler der University of Texas, AustinAlte Myonendetektoren wurden wiederverwendet, um nach möglichen versteckten Maya-Ruinen in Belize zu suchen. Physiker am Los Alamos National Laboratory haben tragbare Versionen von Myonen-Bildgebungssystemen entwickelt, um die Geheimnisse des Baus der Kuppel (Il Duomo) auf dem Gipfel zu lüften Kathedrale der Heiligen Maria von Venus In Florenz, Italien, wurde es im frühen 15. Jahrhundert von Filippo Brunelleschi entworfen.

Im Jahr 2016 nutzten Wissenschaftler die Myonenbildgebung Nehmen Sie die Signale auf Es weist auf einen Durchgang hin, der hinter den berühmten Chevron-Blöcken an der Nordwand des Flusses verborgen ist Die große Pyramide von Giza in Ägypten. Im folgenden Jahr entdeckte dasselbe Team einen mysteriösen Hohlraum in einem anderen Bereich der Pyramide und glaubte, dass es sich dabei um eine versteckte Kammer handeln könnte, die später mit zwei verschiedenen Farben bemalt wurde Myonenbildgebung Methoden. Und erst letzten Monat entdeckten Wissenschaftler mithilfe der Myonenbildgebung eine Kammer, die früher in den Ruinen der antiken Nekropole von Neapolis versteckt war, etwa 10 Meter (ungefähr 33 Fuß) unter dem heutigen Neapel, Italien.

Roboter und autonome Fahrzeuge könnten eines Tages in Haushalten, Krankenhäusern, Fabriken und Bergbaubetrieben sowie bei Such- und Rettungseinsätzen üblich sein, aber es gibt noch kein universelles Mittel zur Navigation und Positionierung, sagt Tanaka. et al. Wie bereits erwähnt, kann GPS nicht in den Untergrund oder unter Wasser eindringen. RFID-Technologien können mit kleinen Batterien eine gute Genauigkeit erreichen, erfordern jedoch ein Kontrollzentrum mit Servern, Druckern, Monitoren usw. Ein totes Konto leidet unter chronischen Schätzungsfehlern, ohne dass externe Hinweise für eine Korrektur vorliegen. Akustische Methoden, Laserscanning und Lidar haben auch Nachteile. Deshalb wandten sich Tanaka und Kollegen bei der Entwicklung ihres alternativen Systems den Myonen zu.

Bei Myonen-Bildgebungsverfahren kommen üblicherweise gasgefüllte Kammern zum Einsatz. Während Myonen durch das Gas rasen, kollidieren sie mit den Gasmolekülen und senden einen Lichtblitz (einen Blitz) aus, der vom Detektor aufgezeichnet wird und es den Wissenschaftlern ermöglicht, die Energie und Flugbahn des Teilchens zu berechnen. Es ähnelt Röntgenstrahlen oder Bodenradar, außer dass energiereichere Myonen auf natürliche Weise anstelle von Röntgenstrahlen oder Radiowellen vorkommen. Diese hohe Energie ermöglicht die Abbildung dichter, dichter Materie. Je dichter das abgebildete Objekt ist, desto mehr Myonen werden blockiert. Das Muographix-System basiert auf vier oberirdischen Referenzstationen zur Myonendetektion, die als Koordinaten für Myonendetektionsempfänger dienen, die entweder unter der Erde oder unter Wasser eingesetzt werden.

Das Team dirigierte erster Versuch von einer Reihe myonenbasierter Unterwassersensoren im Jahr 2021, um schnell wechselnde Gezeitenbedingungen in der Bucht von Tokio zu erkennen. Sie haben zehn Myonendetektoren im Servicetunnel der Tokyo Bay Aqua Line platziert, der etwa 45 Meter (147 Fuß) unter dem Meeresspiegel liegt. Sie konnten das Meer über dem Tunnel mit einer räumlichen Auflösung von 10 Metern (ca. 33 Fuß) und einer zeitlichen Auflösung von 1 Meter (3,3 Fuß) abbilden, was ausreichte, um die Fähigkeit des Systems zu demonstrieren, starke Sturmwellen oder Tsunamis zu erkennen.

Die Anlage wurde im September desselben Jahres getestet, als ein aus dem Süden kommender Taifun Japan traf und einen Meeresbrand und einen Tsunami auslöste. Überschüssiges Wasservolumen leicht erhöht Streuung von Myonen, und dieser Unterschied stimmt gut mit anderen Messungen der Ozeaninflation überein. Und letztes Jahr berichtete Tanakas Team, dass ihnen genau das gelungen sei Erfolgreich gefilmt Tornado-Vertikalprofil anhand von Röntgenaufnahmen, die Tornado-Querschnitte zeigen und Unterschiede in der Intensität aufzeigen. Sie entdeckten, dass der warme Kern eine geringe Dichte aufwies, im Gegensatz zum kalten Außenteil mit hohem Druck. In Kombination mit bestehenden Satellitenverfolgungssystemen kann die radiografische Bildgebung die Hurrikanvorhersage verbessern.

Bei früheren Versionen befestigte das Team den Empfänger mit einem Draht an der Bodenstation, was die Bewegung stark einschränkte. Diese neue Version – das Mumetric Wireless Navigation System oder MuWNS – ist, wie der Name schon sagt, vollständig drahtlos und nutzt hochpräzise Quarzuhren, um Bodenstationen mit dem Empfänger zu synchronisieren. Referenzstationen und Synchronuhren ermöglichen in Kombination die Bestimmung der Koordinaten des Empfängers.

Für den Testlauf wurden die Bodenstationen im sechsten Stock des Gebäudes platziert und der „Navigator“, der den Empfänger trug, ging durch die Kellerkorridore. Die resultierenden Messungen wurden zur Berechnung des Kurses des Navigators und zur Bestätigung der eingeschlagenen Route verwendet. Laut Tanaka funktionierte das MuWNS mit einer Genauigkeit zwischen 2 und 25 Metern (6,5 bis 82 Fuß) und einer Reichweite von bis zu 100 Metern (ca. 328 Fuß). „Das ist genauso gut, wenn nicht sogar besser als die GPS-Einzelpunktpositionierung über dem Boden in städtischen Gebieten“, sagte er. „Aber es ist noch lange nicht praktikabel. Die Menschen brauchen eine Genauigkeit von einem Meter, und der Schlüssel dazu ist die Zeitsynchronisation.“

Eine Lösung besteht darin, handelsübliche Atomuhren in Chipgröße zu integrieren, die doppelt so genau sind wie Quarzuhren. Aber diese Atomuhren sind derzeit sehr teuer, obwohl Tanaka erwartet, dass die Kosten in Zukunft sinken werden, da die Technologie immer stärker in Mobiltelefone integriert wird. Der Rest der in MuWNS verwendeten Elektronik wird von nun an minimiert, um es zu einem tragbaren Gerät zu machen.

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