Japán tudósok már tesztelik a vezeték nélküli kozmikus sugárzásra épülő navigációs rendszert

A GPS ma már a mindennapi életünk egyik alappillére, amely az alkalmazások széles skáláján keresztül segít a mindennapi helyzetekben például a helymeghatározásban, a navigációban, a nyomkövetésben, a térképezésben és az időmérésben. Van azonban néhány hiányossága. Különösen az, hogy a GPS-jelek nem képesek áthaladni az épületeken, sziklákon vagy vízen. Ezért japán kutatók olyan alternatív vezeték nélküli navigációs rendszert fejlesztettek ki, amely a rádióhullámok helyett a kozmikus sugárzásra, vagyis a müonokra támaszkodik. – olvasható az iScience című folyóiratban megjelent új tanulmányban.

A kutatócsoport már első sikeres tesztjét is elvégezte. A rendszert egy nap majd például kereső- és mentőcsapatok használhatják például a robotok víz alatti irányítására, vagy segíthet az autonóm járműveknek a föld alatti navigációban.

“A kozmikus sugárzású müonok egyformán esnek be a Föld minden pontján, és mindig ugyanolyan sebességgel haladnak, függetlenül attól, hogy milyen anyagon mennek keresztül.” – mondta Hiroyuki Tanaka, a japán Tokiói Egyetem Muographix nevű kutatóintézetének kutatója. “Most a müonok felhasználásával egy újfajta GPS-t fejlesztettünk ki, amelyet muometrikus helymeghatározó rendszernek (muPS) neveztünk el, és amely a föld alatt, beltérben és a víz alatt is működik.”

Már használtak korábban is a technológiát a régészetben

A müonokat régóta használják már a régészeti struktúrák leképezésére, és a használatát megkönnyíti, hogy a kozmikus sugárzás folyamatosan biztosítja e részecskék utánpótlását. A müonokat a határátkelőhelyeken illegálisan szállított nukleáris anyagok felkutatására és aktív vulkánok megfigyelésére is használják, annak reményében, hogy felismerjék, mikor törhetnek ki. 2008-ban az austini Texasi Egyetem tudósai régi müondetektorokat használtak fel arra, hogy Belize-ben elveszett maja romok után kutassanak. A Los Alamos Nemzeti Laboratórium fizikusai a müonok képalkotó rendszereinek hordozható változatait fejlesztették ki, hogy megfejtsék az olaszországi Firenzében található Szent Mária-székesegyház tetején található kupola (Il Duomo) építési titkait.

2016-ban pedig a tudósok a müonképalkotást használva olyan jeleket észleltek, amelyek az egyiptomi Gízai Nagy Piramis északi oldalán található híres ék alakú tömbök mögötti rejtett folyosóra utaltak.

A müonokra épülő rendszerek használata a mindennapi életben

Az autonóm robotok és járművek egy napon mindennaposak lehetnek az otthonokban, kórházakban, gyárakban és bányákban, valamint a kereső- és mentőakciókban, de a navigáció és a helymeghatározás univerzális eszköze még nem létezik. Ugyanis a GPS nem képes behatolni a föld alá vagy a víz alá. Az RFID-technológiák kis akkumulátorokkal jó pontosságot érhetnek el, de ehhez egy vezérlőközpontra van szükség szerverekkel, nyomtatókkal, monitorokkal stb. Az akusztikus, lézerszkenneres és Lidar-megközelítéseknek is vannak hátrányai. Ezért Tanaka és kollégái a müonok felé fordultak, és saját alternatív rendszert kezdtek el fejleszteni.

müonrendszer

Az alternatív beltéri és földalatti technikák előnyeit és hátrányait bemutató grafikon

A müon képalkotó módszerek jellemzően gázzal töltött kamrákat foglalnak magukba. Ahogy a müonok átrepülnek a gázon, összeütköznek a gázrészecskékkel, és árulkodó fényvillanást (szcintillációt) bocsátanak ki, amelyet a detektor rögzít, lehetővé téve a tudósok számára a részecske energiájának és röppályájának kiszámítását. Ez hasonló a röntgensugaras képalkotáshoz vagy a talajradarhoz, csakhogy itt nem röntgensugarakkal vagy rádióhullámokkal, hanem a természetben előforduló nagyenergiájú müonokkal dolgoznak. Ez a nagyobb energia lehetővé teszi a vastag, sűrű anyagok leképezését is. Minél sűrűbb a leképezett tárgy, annál több müont blokkolnak. A Muographix rendszer négy, a földfelszín feletti müonérzékelő referenciaállomáson alapul, amelyek koordinátaként szolgálnak a müonérzékelő fogadókészülékek számára, amelyeket a föld alatt vagy a víz alatt helyeznek el.

Már éles környezetben is jól teljesített az új navigációs rendszer

A csapat 2021-ben végezte el a müon alapú víz alatti szenzorrendszer első próbáját, amelyet a Tokiói-öbölben gyorsan változó ár-apály viszonyok észlelésére használtak. Az öböl fölött 10 méteres térbeli felbontással és egy méteres időbeli felbontással tudták leképezni a tengert. Ez elegendő volt annak bizonyítására, hogy a rendszer képes érzékelni az erős viharhullámokat vagy cunamikat.

A szenzor rendszert aztán ugyanezen év szeptemberében élesben is tesztelték, amikor Japánt egy délről közeledő tájfun érte el, amely enyhe óceáni hullámokat és szökőárat okozott. Az extra víztérfogat kissé megnövelte a müonok szóródását, és ez a változás jól megfelelt az óceáni hullámok más méréseinek. Tavaly pedig Tanaka csapata arról számolt be, hogy sikeresen leképezték egy ciklon függőleges profilját a müográfia segítségével, ami megmutatta a ciklon keresztmetszetét és feltárta a sűrűség változásait. A meglévő műholdas nyomkövető rendszerekkel együtt a müográfia javíthatja a ciklonok előrejelzését is.

kozmikus sugárzás müönrendszer

A szenzorrendszer pontossága

A fejlesztőcsapat korábbi megoldásai az érzékelőt egy vezetékkel kötötték össze a földi állomással, ami jelentősen korlátozta a mozgást. Az új változat – a müometrikus vezeték nélküli navigációs rendszer, vagy MuWNS -, ahogy a neve is mutatja, teljesen vezeték nélküli, és nagy pontosságú kvarcórákat használ a földi állomások és a fogadó rendszer szinkronizálására. A referenciaállomások és a szinkronizált órák együttesen lehetővé teszik a fogadó koordinátáinak meghatározását.

Tanaka szerint a MuWNS 2 és 25 méter közötti pontossággal, és 100 méteres hatótávolsággal már jól működik. “Ez ugyanolyan jó, ha nem jobb, mint az egypontos föld feletti GPS-pozicionálás városi területeken.” – mondta. “De még mindig messze van a gyakorlati szinttől. Az embereknek egy méteres pontosságra van szükségük, és ennek kulcsa az időszinkronizálás.”

Az egyik megoldás a kereskedelmi forgalomban kapható chipméretű atomórák beépítése lenne, amelyek kétszer olyan pontosak, mint a kvarcórák. Ezek az atomórák azonban jelenleg túlságosan drágák, bár Tanaka szerint a jövőben a költségek csökkennek, ahogy a technológia egyre szélesebb körben beépül a mobiltelefonokba. A MuWNS-ben használt elektronika többi részét a jövőben miniatürizálni fogják, hogy kézi eszközként is használni lehessen.