Космические субатомные частицы могут показать способ перемещаться под землей
Ливни частиц, которые извергаются, когда космические лучи сталкиваются с атмосферой Земли, возможно, подали ученым жизнеспособную подземную навигационную систему. Мюоны космических лучей, падающие дождем на поверхность планеты и частично проходящие сквозь нее, позволили ученым рассчитать положение человека в подвале здания, месте, в котором спутниковые системы глобального позиционирования не работают. Исследование опубликовано в iScience.
Это большой шаг к эффективной навигации под землей, под водой и в высоких широтах — во всех местах, где GPS не работает. По замыслу его конструкторов, он мог использоваться для таких целей, как проведение поисково-спасательных работ, подводное наблюдение, слежение в зонах радиомолчания, минирование.
«Мюоны космических лучей одинаково падают на Землю и всегда движутся с одной и той же скоростью, независимо от того, через какую материю они проходят, проникая даже в километры горных пород», — говорит физик Хироюки Танака из Токийского университета в Японии. «Теперь, используя мюоны, мы разработали новый тип GPS, который мы назвали мюометрической системой позиционирования (muPS), которая работает под землей, в помещении и под водой».
GPS работает благодаря технике, называемой трилатерацией. Спутники GPS вращаются вокруг Земли, передавая сигналы на несущих радиоволнах. Приемник, такой как сотовый телефон или GPS в автомобиле, обнаруживает эти сигналы.
Время между отправкой и получением сигнала дает расстояние между спутником и приемником. Множественные расстояния и различия между ними определяют местоположение приемника. Это немного похоже на эхолокацию. Вуаля и вы здесь.
Но радиоволны — это форма света, которую довольно легко заблокировать. Вы когда-нибудь замечали, как отключается радио в вашем автомобиле, когда вы проезжаете туннель? Несущие волны, используемые спутниковой системой GPS, не могут проникать сквозь скалы или воду и сталкиваются с трудностями при работе со стенами и деревьями. Кроме того, GPS плохо работает в высоких широтах; спутники GPS не вращаются вокруг полюсов, поэтому есть точка широты, в которой спутниковое покрытие просто не очень хорошее.
В течение нескольких лет Танака и его коллеги исследовали использование мюонов космических лучей в качестве своего рода замены спутниковых сигналов GPS. Мюоны — это субатомные частицы, возникающие, когда космические лучи от таких источников, как далекие сверхновые звезды или Солнце, сталкиваются с частицами в атмосфере Земли, и они почти повсюду; по оценкам, мюон поражает каждый квадратный сантиметр Земли примерно раз в минуту.
Они движутся со скоростью, близкой к скорости света, и могут проникать глубоко под землю. Они использовались для эффективного рентгеновского исследования таких структур, как пирамиды, но их способность проникать туда, куда не может проникнуть свет, натолкнула ученых на мысль попробовать использовать их для навигации.
Идея очень похожа на GPS. Четыре референтные станции для обнаружения мюонов размещаются над землей, а приемник для обнаружения мюонов размещается либо на человеке, либо под землей. Например, muPS изначально разрабатывался для обнаружения того, как вулканическая активность или тектонические движения изменяют морское дно.
Когда падает поток мюонов, они сначала проходят через эталонные детекторы, прежде чем попасть к приемнику. Временная задержка между эталонными детекторами и приемниками позволяет выполнить трилатерацию, давая координаты приемника. Однако первая система muPS должна была быть проводной, что не очень удобно для тех, кто передвигается. Теперь команда взяла систему беспроводной.
Все эталонные детекторы и приемник были подключены к синхронизированным точным кварцевым часам. Один из эталонных детекторов был размещен на шестом этаже здания, а человек, несущий приемник, передвигался по подвалу. Новая система называется мюометрической беспроводной навигационной системой (MuWNS).
Это еще не совсем так. Координаты приемника не отслеживались в реальном времени; команда провела измерения и использовала их, чтобы реконструировать маршрут, по которому человек шел по подвальным коридорам. Они смогли сделать это с достаточной точностью, но могло быть и лучше, говорит Танаки.
«Текущая точность MuWNS составляет от 2 до 25 метров с диапазоном до 100 метров, в зависимости от глубины и скорости человека, идущего. Это так же хорошо, если не лучше, чем одноточечное GPS-позиционирование над землей в городских районах», — объясняет он. «Но до практического уровня еще далеко. Людям нужна точность в 1 метр, и ключом к этому является синхронизация времени».
Другими словами, ему нужны более совершенные часы, такие как атомные часы размером с чип, которые измеряют время по регулярным спиновым переходам атомов цезия, меняющих энергетические состояния.
Такие часы в настоящее время слишком дороги, и они могут таковыми не остаться. Между тем, команда надеется поработать над уменьшением размера остального оборудования до того, что может поместиться в руке.
«Благодаря этим новым результатам, — пишут они в своей статье, — становится ясно, что при дальнейших улучшениях MuWNS можно адаптировать для улучшения автономной навигации мобильных роботов, позиционирования и других практических приложений под землей и водой».
Обсудим?
Смотрите также:
