Bilim adamları kozmik ışın radyo navigasyon sisteminin ilk testini gerçekleştirdiler – Ars Technica

GPS artık günlük hayatın temel dayanağı haline geldi ve çok çeşitli uygulamalarda konumlandırma, navigasyon, izleme, haritalama ve zamanlama konusunda bize yardımcı oluyor. Ancak bazı dezavantajları var, en önemlisi binalardan, kayalardan veya sudan geçememe. Bu nedenle Japon araştırmacılar, radyo dalgaları yerine kozmik ışınlara veya müonlara dayanan alternatif bir radyo navigasyon sistemi geliştirdiler. yeni yaprak iScience dergisinde yayınlandı. Ekip ilk başarılı testini gerçekleştirdi ve arama kurtarma ekipleri bir gün sistemi, örneğin robotları su altında yönlendirmek veya otonom araçların yer altında gezinmesine yardımcı olmak için kullanabilir.

“Kozmik ışın müonları Dünya’ya eşit olarak düşer ve hangi malzemeden geçerlerse geçsinler her zaman aynı hızda hareket ederler, kilometrelerce kayayı bile delerler.” ortak yazar Hiroyuki Tanaka dedi ile Muographix Japonya’daki Tokyo Üniversitesi’nde. “Şimdi, müonları kullanarak, yer altında, iç mekanlarda ve su altında çalışan muPS adını verdiğimiz yeni bir GPS türü geliştirdik.”

Daha önce bahsedildiği gibi, müonların kullanılmasının uzun bir geçmişi vardır. Arkeolojik yapıların görüntüsüKozmik ışınlar bu parçacıkların düzenli bir şekilde beslenmesini sağladığı için süreç daha kolay hale gelir. müon da kullanılır Chase yasa dışı bir şekilde taşındı Sınır kapılarında nükleer malzeme ve ne zaman patlayabileceklerini tespit etme umuduyla aktif yanardağların izlenmesi. 2008’de Austin’deki Texas Üniversitesi’ndeki bilim adamları,Eski müon dedektörleri, Belize’deki olası gizli Maya kalıntılarını aramak için yeniden kullanıldı. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı’ndaki fizikçiler, tepeye kubbe (Il Duomo) inşa etmenin sırlarını ortaya çıkarmak için müon görüntüleme sistemlerinin taşınabilir versiyonlarını geliştirdiler. Venüs Aziz Meryem Katedrali İtalya’nın Floransa kentinde, 15. yüzyılın başlarında Filippo Brunelleschi tarafından tasarlandı.

2016’da bilim adamları müon görüntülemeyi kullandılar sinyalleri al Avlunun kuzey yüzündeki ünlü zikzak blokların arkasına gizlenmiş bir geçidi işaret ediyor. Büyük Giza Piramidi Mısırda. Ertesi yıl, aynı ekip piramidin başka bir bölgesinde gizemli bir boşluk keşfetti ve bunun gizli bir oda olabileceğine inandı ve daha sonra iki farklı kullanılarak boyandı. müon görüntüleme Yöntemler. Ve daha geçen ay, bilim adamları, günümüzdeki Napoli, İtalya’nın yaklaşık 10 metre (yaklaşık 33 fit) altında, antik Neapolis nekropolünün kalıntılarında daha önce gizlenmiş bir odayı keşfetmek için müon görüntülemeyi kullandılar.

Tanaka, robotlar ve otonom araçların bir gün evlerde, hastanelerde, fabrikalarda ve madencilik operasyonlarında olduğu kadar arama kurtarma görevlerinde de yaygın olabileceğini, ancak henüz evrensel bir navigasyon ve konumlandırma aracı olmadığını söylüyor. et al. Belirtildiği gibi, GPS yeraltına veya su altına giremez. RFID teknolojileri, küçük pillerle iyi bir doğruluk elde edebilir, ancak sunucular, yazıcılar, monitörler vb. içeren bir kontrol merkezi gerektirir. Ölü bir hesap, düzeltme sağlamak için harici bir işaret olmaksızın kronik tahmin hatalarından muzdariptir. Akustik yöntemler, lazer tarama ve lidar da dezavantajlara sahiptir. Böylece Tanaka ve meslektaşları, alternatif sistemlerini geliştirirken müonlara yöneldiler.

Müon görüntüleme yöntemleri genellikle gaz dolu odaları içerir. Müonlar gazın içinden hızla geçerken, gaz molekülleri ile çarpışırlar ve dedektör tarafından kaydedilen bir ışık parlaması (flaş) yayarak bilim adamlarının parçacığın enerjisini ve yörüngesini hesaplamasına olanak tanırlar. X-ışınlarına veya yer radarına benzer, ancak X-ışınları veya radyo dalgaları yerine doğal olarak daha yüksek enerjili müonların oluşması dışında. Bu yüksek enerji, yoğun, yoğun maddeyi görüntülemeyi mümkün kılar. Görüntülenen nesne ne kadar yoğunsa, o kadar fazla müon engellenir. Muographix sistemi, müon algılama alıcıları için koordinat görevi gören yer üstünde veya su altında konuşlandırılan dört yer üstü müon algılama referans istasyonuna dayanır.

ekip yürüttü ilk deneme 2021’de Tokyo Körfezi’nde hızla değişen gelgit koşullarını tespit etmek için kullanılacak bir dizi müon tabanlı su altı sensöründen. Deniz seviyesinden yaklaşık 45 metre (147 fit) aşağıda bulunan Tokyo Körfezi Su Hattı servis tünelinin içine on müon dedektörü yerleştirdiler. Sistemin güçlü fırtına dalgalarını veya tsunamileri algılama yeteneğini göstermeye yetecek kadar, 10 metrelik (yaklaşık 33 fit) bir uzamsal çözünürlük ve 1 metrelik (3,3 fit) bir zamansal çözünürlükle tünelin yukarısındaki denizi görüntüleyebildiler.

Dizi, aynı yılın Eylül ayında, güneyden gelen bir tayfunun Japonya’yı vurarak okyanusun kabarmasına ve tsunamiye neden olduğu zaman test edildi. Aşırı su hacmi biraz arttı müonların dağılımı ve bu fark, diğer okyanus şişmesi ölçümleriyle iyi bir uyum içindedir. Ve geçen yıl, Tanaka’nın ekibi tam da bunu yaptıklarını bildirdi. Başarıyla çekildi Kasırga dikey profili, radyograflar kullanılarak kasırga enine kesitlerini gösterir ve yoğunluk farklılıklarını ortaya çıkarır. Soğuk, yüksek basınçlı dış kısmın aksine, sıcak çekirdeğin düşük yoğunluğa sahip olduğunu keşfettiler. Mevcut uydu izleme sistemleriyle birlikte radyografik görüntüleme, kasırga tahminlerini iyileştirebilir.

Ekibin önceki yinelemeleri, alıcıyı yer istasyonuna hareketi büyük ölçüde sınırlayan bir tel ile bağladı. Adından da anlaşılacağı gibi bu yeni sürüm Muometric Wireless Navigation System veya MuWNS tamamen kablosuzdur ve yer istasyonlarını alıcıyla senkronize etmek için yüksek doğrulukta kuvars saatler kullanır. Kombine referans istasyonları ve senkronize saatler, alıcının koordinatlarının belirlenmesini mümkün kılar.

Test çalışması için yer istasyonları binanın altıncı katına yerleştirildi ve alıcıyı taşıyan “navigatör” bodrum koridorlarında dolaştı. Ortaya çıkan ölçümler, gezginin rotasını hesaplamak ve izlenen rotayı doğrulamak için kullanıldı. Tanaka’ya göre MuWNS, 100 metreye (yaklaşık 328 fit) kadar bir menzil ile 2 ila 25 metre (6,5 ila 82 fit) arasında bir doğrulukla çalıştı. “Bu, kentsel alanlarda zemin üzerinde tek noktalı GPS konumlandırması kadar iyi, hatta ondan daha iyi” dedi. “Ama yine de pratik olmaktan uzak. İnsanların bir metrelik bir hassasiyete ihtiyacı var ve bunun anahtarı da zaman senkronizasyonu.”

Çözümlerden biri, kuvars saatlerden iki kat daha doğru olan, ticari olarak temin edilebilen çip boyutlu atomik saatleri dahil etmektir. Ancak bu atomik saatler şu anda çok pahalı, ancak Tanaka gelecekte teknoloji cep telefonlarına daha yaygın bir şekilde entegre edildiğinden maliyetin düşmesini bekliyor. MuWNS’de kullanılan elektroniklerin geri kalanı bundan sonra onu taşınabilir bir cihaz haline getirmek için en aza indirilecektir.

DOI: iScience, 2023. 10.1016/j.isci.2023.107000 (DOI’ler hakkında).