Científicos realizan la primera prueba de un sistema de navegación por radio de rayos cósmicos – Ars Technica

Acercarse / Los rayos cósmicos que llueven sobre la atmósfera terrestre son la base de un nuevo sistema alternativo inalámbrico para la navegación GPS.

2015 Hiroyuki KM Tanaka

El GPS es ahora un pilar de la vida cotidiana y nos ayuda con el posicionamiento, la navegación, el seguimiento, la cartografía y el tiempo en una amplia gama de aplicaciones. Pero tiene algunos inconvenientes, sobre todo la incapacidad de atravesar edificios, rocas o agua. Es por eso que investigadores japoneses han desarrollado un sistema alternativo de navegación por radio que se basa en rayos cósmicos, o muones, en lugar de ondas de radio, según nueva hoja Publicado en la revista iScience. El equipo realizó su primera prueba con éxito, y los equipos de búsqueda y rescate algún día podrían usar el sistema para, por ejemplo, guiar a los robots bajo el agua o ayudar a los vehículos autónomos a navegar bajo tierra.

«Los muones de rayos cósmicos caen uniformemente sobre la Tierra y siempre viajan a la misma velocidad sin importar el material que atraviesen, penetrando incluso kilómetros de roca». dijo el coautor Hiroyuki Tanaka a Muographix en la Universidad de Tokio, Japón. «Ahora, utilizando muones, hemos desarrollado un nuevo tipo de GPS, al que llamamos muPS, que funciona bajo tierra, en interiores y bajo el agua».

Como se mencionó anteriormente, existe una larga historia de uso de muones en Imagen de estructuras arqueológicasEl proceso se facilita porque los rayos cósmicos proporcionan un suministro constante de estas partículas. Muon también se utiliza Chase se mudó ilegalmente Material nuclear en pasos fronterizos y monitoreo de volcanes activos, con la esperanza de detectar cuándo podrían entrar en erupción. En 2008, científicos de la Universidad de Texas, Austin, trabajaronAntiguos detectores de muones reutilizados para buscar posibles ruinas mayas ocultas en Belice. Físicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos han desarrollado versiones portátiles de sistemas de imágenes de muones para descubrir los secretos de la construcción de la cúpula (Il Duomo) sobre Catedral de Santa María de Venus En Florencia, Italia, fue diseñado por Filippo Brunelleschi a principios del siglo XV.

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En 2016, los científicos utilizaron imágenes de muones Recoge las señales Señala un pasaje escondido detrás de los famosos bloques de chevron en la cara norte del La gran pirámide de giza en Egipto. Al año siguiente, el mismo equipo descubrió un misterioso vacío en otra zona de la pirámide, creyendo que podría ser una cámara oculta, que luego pintó con dos diferentes imágenes de muones Métodos. Y apenas el mes pasado, los científicos utilizaron imágenes de muones para descubrir una cámara anteriormente escondida en las ruinas de la antigua necrópolis de Neapolis, a unos 10 metros (alrededor de 33 pies) por debajo de la actual Nápoles, Italia.

Los robots y vehículos autónomos algún día podrían ser comunes en hogares, hospitales, fábricas y operaciones mineras, así como en misiones de búsqueda y rescate, pero aún no existe un medio universal de navegación y posicionamiento, dice Tanaka. y otros. Como se señaló, el GPS no puede penetrar bajo tierra o bajo el agua. Las tecnologías RFID pueden lograr una buena precisión con baterías pequeñas, pero requiere un centro de control con servidores, impresoras, monitores, etc. Una cuenta muerta sufre de errores de estimación crónicos sin una señal externa para proporcionar una corrección. Los métodos acústicos, el escaneo láser y el lidar también tienen inconvenientes. Así que Tanaka y sus colegas recurrieron a los muones cuando desarrollaron su sistema alternativo.

Infografía que muestra los pros y los contras de las tecnologías alternativas para espacios interiores y subterráneos
Acercarse / Infografía que muestra los pros y los contras de las tecnologías alternativas para espacios interiores y subterráneos

2023 Hiroyuki como Tanaka

Los métodos de obtención de imágenes de muones generalmente involucran cámaras llenas de gas. A medida que los muones atraviesan el gas, chocan con las moléculas de gas y emiten un destello de luz (un destello), que es registrado por el detector, lo que permite a los científicos calcular la energía y la trayectoria de la partícula. Es similar a los rayos X o al radar de penetración terrestre, excepto que los muones de mayor energía ocurren naturalmente en lugar de los rayos X o las ondas de radio. Esta alta energía hace posible obtener imágenes de materia muy densa. Cuanto más denso es el objeto de la imagen, más muones se bloquean. El sistema Muographix se basa en cuatro estaciones de referencia de detección de muones sobre el suelo que actúan como coordenadas para los receptores de detección de muones, que se instalan bajo tierra o bajo el agua.

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El equipo realizó Primer intento de una serie de sensores submarinos basados ​​en muones en 2021, que se utilizarán para detectar condiciones de marea que cambian rápidamente en la bahía de Tokio. Han colocado diez detectores de muones dentro del túnel de servicio de la Línea Aqua de la Bahía de Tokio, ubicada a unos 45 metros (147 pies) por debajo del nivel del mar. Pudieron obtener imágenes del mar sobre el túnel con una resolución espacial de 10 metros (alrededor de 33 pies) y una resolución temporal de 1 metro (3,3 pies), suficiente para demostrar la capacidad del sistema para detectar poderosas olas de tormenta o tsunamis.

La matriz se probó en septiembre del mismo año, cuando un tifón procedente del sur azotó Japón, lo que provocó un oleaje y un tsunami. Exceso de volumen de agua ligeramente incrementado dispersión de muones, y esta diferencia está en buen acuerdo con otras mediciones de la inflación oceánica. Y el año pasado, el equipo de Tanaka informó que habían hecho precisamente eso. Filmado con éxito Perfil vertical de tornado usando radiografías, mostrando secciones transversales de tornado y revelando diferencias en intensidad. Descubrieron que el núcleo cálido tenía una densidad baja, en contraste con la parte exterior fría y de alta presión. En combinación con los sistemas de rastreo satelital existentes, las imágenes radiográficas pueden mejorar los pronósticos de huracanes.

La línea roja representa el camino que caminó.
Acercarse / La línea roja representa el camino que recorrió el «navegador». La línea punteada blanca muestra la trayectoria registrada por MuWNS.

2023 Hiroyuki como Tanaka

Las iteraciones anteriores del equipo conectaron el receptor a la estación terrestre con un cable, lo que limitó en gran medida el movimiento. Esta nueva versión, el sistema de navegación inalámbrico Muometric, o MuWNS, como sugiere el nombre, es completamente inalámbrico y utiliza relojes de cuarzo de alta precisión para sincronizar las estaciones terrestres con el receptor. Las estaciones de referencia combinadas y los relojes síncronos permiten determinar las coordenadas del receptor.

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Para la prueba, las estaciones terrestres se colocaron en el sexto piso del edificio y el «navegador» que llevaba el receptor caminó por los pasillos del sótano. Las medidas resultantes se utilizaron para calcular el rumbo del navegante y confirmar la ruta tomada. Según Tanaka, el MuWNS funcionó con una precisión de entre 2 y 25 metros (6,5 a 82 pies), con un alcance de hasta 100 metros (alrededor de 328 pies). «Esto es tan bueno, si no mejor, que el posicionamiento GPS de un solo punto sobre el suelo en áreas urbanas», dijo. «Pero todavía está lejos de ser práctico. La gente necesita una precisión de un metro, y la clave para eso es la sincronización del tiempo».

Una solución es incorporar relojes atómicos del tamaño de un chip disponibles comercialmente, que son dos veces más precisos que los relojes de cuarzo. Pero estos relojes atómicos son muy caros en este momento, aunque Tanaka espera que el costo baje en el futuro a medida que la tecnología se integre más ampliamente en los teléfonos celulares. El resto de la electrónica utilizada en MuWNS se minimizará a partir de ahora para convertirlo en un dispositivo portátil.

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

La gente de Muographix ha creado este encantador video de ciencia ficción para explicar los sistemas basados ​​en muones.

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