Cientistas realizam primeiro teste de um sistema de radionavegação de raios cósmicos – Ars Technica

O GPS é agora um dos pilares da vida cotidiana, ajudando-nos com posicionamento, navegação, rastreamento, mapeamento e tempo em uma ampla gama de aplicações. Mas tem algumas desvantagens, principalmente a incapacidade de passar por prédios, rochas ou água. É por isso que pesquisadores japoneses desenvolveram um sistema alternativo de radionavegação que se baseia em raios cósmicos, ou múons, em vez de ondas de rádio, de acordo com nova folha Publicado na revista iScience. A equipe realizou seu primeiro teste bem-sucedido e as equipes de busca e resgate poderiam um dia usar o sistema para, por exemplo, guiar robôs debaixo d’água ou ajudar veículos autônomos a navegar no subsolo.

“Os múons de raios cósmicos caem uniformemente pela Terra e sempre viajam na mesma velocidade, independentemente do material que atravessam, penetrando até mesmo quilômetros de rocha”, disse. disse o co-autor Hiroyuki Tanaka para Muographix na Universidade de Tóquio, Japão. “Agora, usando múons, desenvolvemos um novo tipo de GPS, que chamamos de muPS, que funciona no subsolo, em ambientes fechados e debaixo d’água.”

Como mencionado anteriormente, há uma longa história de uso de múons em Imagem de estruturas arqueológicasO processo é facilitado porque os raios cósmicos fornecem um suprimento constante dessas partículas. Múon também é usado Chase movido ilegalmente Material nuclear em passagens de fronteira e monitoramento de vulcões ativos, na esperança de detectar quando eles podem entrar em erupção. Em 2008, cientistas da Universidade do Texas, em Austin, trabalharamAntigos detectores de múon reutilizados para procurar possíveis ruínas maias escondidas em Belize. Físicos do Laboratório Nacional de Los Alamos desenvolveram versões portáteis de sistemas de imagens de múons para desvendar os segredos da construção do domo (Il Duomo) no topo Catedral de Santa Maria de Vênus Em Florença, na Itália, foi projetado por Filippo Brunelleschi no início do século XV.

Em 2016, os cientistas usaram imagens de múons Pegue os sinais Ele aponta para uma passagem escondida atrás dos famosos blocos chevron na face norte do A Grande Pirâmide de Gizé No Egito. No ano seguinte, a mesma equipe descobriu um vazio misterioso em outra área da pirâmide, acreditando que poderia ser uma câmara escondida, que posteriormente foi pintada usando duas cores diferentes. imagem de múon Métodos. E no mês passado, os cientistas usaram imagens de múons para descobrir uma câmara anteriormente escondida nas ruínas da antiga necrópole de Neapolis, cerca de 10 metros (cerca de 33 pés) abaixo da atual Nápoles, Itália.

Robôs e veículos autônomos podem um dia ser comuns em residências, hospitais, fábricas e operações de mineração, bem como em missões de busca e salvamento, mas ainda não existe um meio universal de navegação e posicionamento, diz Tanaka. e outros. Conforme observado, o GPS não pode penetrar no subsolo ou debaixo d’água. As tecnologias RFID podem alcançar boa precisão com baterias pequenas, mas requerem um centro de controle com servidores, impressoras, monitores, etc. Uma conta inoperante sofre de erros crônicos de estimativa sem indicação externa para fornecer uma correção. Métodos acústicos, varredura a laser e lidar também apresentam desvantagens. Então Tanaka e seus colegas recorreram aos múons ao desenvolver seu sistema alternativo.

Os métodos de imagem de múon geralmente envolvem câmaras cheias de gás. À medida que os múons atravessam o gás, eles colidem com as moléculas do gás e emitem um flash de luz (um flash), que é registrado pelo detector, permitindo que os cientistas calculem a energia e a trajetória da partícula. É semelhante aos raios X ou radar de penetração no solo, exceto que os múons de alta energia ocorrem naturalmente em vez de raios X ou ondas de rádio. Esta alta energia torna possível a imagem de matéria densa e densa. Quanto mais denso o objeto da imagem, mais múons são bloqueados. O sistema Muographix conta com quatro estações de referência de detecção de múons acima do solo que atuam como coordenadas para receptores de detecção de múons, que são implantados no subsolo ou debaixo d’água.

A equipe realizou primeiro julgamento a partir de uma série de sensores subaquáticos baseados em múons em 2021, para serem usados ​​para detectar condições de maré em rápida mudança na Baía de Tóquio. Eles colocaram dez detectores de múon dentro do túnel de serviço da Tokyo Bay Aqua Line, localizado a cerca de 45 metros (147 pés) abaixo do nível do mar. Eles conseguiram obter imagens do mar acima do túnel com uma resolução espacial de 10 metros (cerca de 33 pés) e uma resolução temporal de 1 metro (3,3 pés), o suficiente para demonstrar a capacidade do sistema de detectar fortes ondas de tempestade ou tsunamis.

A matriz foi testada em setembro do mesmo ano, quando um tufão vindo do sul atingiu o Japão, resultando em uma onda oceânica e um tsunami. Excesso de volume de água ligeiramente aumentado dispersão de múons, e essa diferença está de acordo com outras medidas de inflação oceânica. E no ano passado, a equipe de Tanaka relatou que havia feito exatamente isso Filmado com sucesso Perfil vertical do tornado usando radiografias, mostrando seções transversais do tornado e revelando diferenças de intensidade. Eles descobriram que o núcleo quente tinha uma densidade baixa, em contraste com a parte externa fria e de alta pressão. Em combinação com os sistemas existentes de rastreamento por satélite, as imagens radiográficas podem melhorar as previsões de furacões.

As iterações anteriores da equipe conectavam o receptor à estação terrestre com um fio, o que limitava muito o movimento. Esta nova versão – o Muometric Wireless Navigation System, ou MuWNS – como o nome sugere, é totalmente sem fio e usa relógios de quartzo altamente precisos para sincronizar as estações terrestres com o receptor. Combinados, estações de referência e relógios síncronos permitem determinar as coordenadas do receptor.

Para o teste, as estações terrestres foram colocadas no sexto andar do prédio e o “navegador” carregando o receptor percorreu os corredores do subsolo. As medições resultantes foram usadas para calcular o curso do navegador e confirmar a rota percorrida. Segundo Tanaka, o MuWNS funcionou com uma precisão entre 2 e 25 metros (6,5 a 82 pés), com alcance de até 100 metros (cerca de 328 pés). “Isso é tão bom quanto, se não melhor, do que o posicionamento GPS de ponto único sobre o solo em áreas urbanas”, disse ele. “Mas ainda está longe de ser prático. As pessoas precisam de uma precisão de um metro, e a chave para isso é a sincronização do tempo.”

Uma solução é incorporar relógios atômicos do tamanho de chips disponíveis comercialmente, que são duas vezes mais precisos que os relógios de quartzo. Mas esses relógios atômicos são muito caros no momento, embora Tanaka espere que o custo caia no futuro, à medida que a tecnologia for mais amplamente integrada aos telefones celulares. O restante da eletrônica usada no MuWNS será minimizada a partir de agora para torná-lo um dispositivo portátil.

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