دانشمندان اولین آزمایش سیستم ناوبری بی سیم پرتوهای کیهانی یا میون ها را انجام دادند که می تواند برای هدایت ربات های زیر آب یا زیر زمینی به کار گرفته شود.
به گزارش تکناک، GPS در حال حاضر یکی از پایه های اصلی زندگی روزمره است و به ما در جهت یابی، ردیابی، نقشه برداری و زمان بندی در طیف گسترده ای از برنامه ها کمک می کند. با این حال این فناوری، کاستی هایی دارد، از جمله اینکه نمی تواند از ساختمان ها، سنگ ها یا آب عبور کند.
بر اساس مقاله جدیدی که در مجله iScience منتشر شده است، محققان ژاپنی به همین دلیل یک سیستم ناوبری بی سیم جایگزین ایجاد کرده اند که به جای امواج رادیویی به پرتوهای کیهانی یا میون ها متکی است. این تیم اولین آزمایش موفقیت آمیز خود را انجام داده است. این سیستم می تواند روزی توسط تیم های جستجو و نجات برای اموری مانند هدایت ربات ها در زیر آب یا کمک به وسایل نقلیه خودران برای حرکت در زیر زمین مورد استفاده قرار گیرد.
هیرویوکی تاناکا از دانشگاه توکیو در ژاپن گفت: میونهای پرتو کیهانی به طور مساوی در سراسر زمین سقوط میکنند و همیشه بدون توجه به مادهای که از آن عبور میکنند با همان سرعت حرکت میکنند و حتی کیلومترها در سنگ نفوذ میکنند. اکنون، با استفاده از میونها، نوع جدیدی از GPS را توسعه دادهایم که آن را سیستم موقعیتیابی موومتریک (muPS) نامیدهایم که در زیر زمین، داخل خانه و زیر آب کار میکند.
همانطور که قبلا گزارش شده است، سابقه طولانی استفاده از پرتوهای کیهانی برای تصویربرداری از سازه های باستان شناسی وجود دارد، اما این فرآیند آسان تر شده است زیرا پرتوهای کیهانی منبع ثابتی از این ذرات را فراهم می کنند. میونها همچنین برای شکار مواد هستهای حمل شده غیرقانونی در گذرگاههای مرزی و نظارت بر آتشفشانهای فعال به امید تشخیص زمان فوران آنها استفاده میشوند. در سال 2008، دانشمندان دانشگاه تگزاس، آشکارسازهای قدیمی پرتوهای کیهانی یا میون را برای جستجوی خرابههای مخفی مایاها در بلیز استفاده کردند. فیزیکدانان آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در حال توسعه نسخه های قابل حمل سیستم های تصویربرداری میون برای باز کردن اسرار ساخت گنبد کلیسای جامع مریم مقدس در فلورانس ایتالیا هستند که توسط فیلیپو برونلسکی در اوایل قرن 15 طراحی شده است.
در سال 2016، دانشمندان با استفاده از تصویربرداری پرتوهای کیهانی سیگنالهایی را دریافت کردند که نشاندهنده یک راهروی پنهان در پشت بلوکهای معروف شورون در شمال هرم بزرگ جیزه در مصر بود. سال بعد، همان تیم یک فضای خالی اسرارآمیز را در ناحیه دیگری از هرم شناسایی کردند، و معتقد بودند که می تواند یک اتاقک پنهان باشد، که متعاقبا با استفاده از دو روش مختلف تصویربرداری میون ترسیم شد. و همین ماه گذشته، دانشمندان از تصویربرداری میون برای کشف یک اتاقک پنهان شده قبلی در خرابههای گورستان باستانی نئاپولیس، حدود 10 متر پایینتر از ناپل امروزی ایتالیا، استفاده کردند.
رباتها و وسایل نقلیه خودران میتوانند روزی در خانهها، بیمارستانها، کارخانهها و عملیاتهای معدن، و همچنین برای مأموریتهای جستجو و نجات رایج شوند، اما به گفته تاناکا و همکاران، هنوز یک ابزار جهانی برای ناوبری و موقعیتیابی وجود ندارد. همانطور که اشاره شد، GPS نمی تواند در زیر زمین یا زیر آب نفوذ کند. فناوریهای RFID میتوانند با باتریهای کوچک به دقت خوبی دست یابند، اما به یک مرکز کنترل با سرورها، چاپگرها، مانیتورها و غیره نیاز دارند. رویکردهای آکوستیک، اسکنر لیزری و لیدار نیز دارای اشکالاتی هستند. بنابراین تاناکا و همکارانش هنگام توسعه سیستم جایگزین خود به ناوبری پرتوهای کیهانی روی آوردند.
روش های تصویربرداری میون معمولاً شامل محفظه های پر از گاز است. همانطور که میونها از میان گاز عبور میکنند، با ذرات گاز برخورد میکنند و یک نور منتشر میکنند که توسط آشکارساز ثبت میشود و به دانشمندان اجازه میدهد تا انرژی و مسیر ذره را محاسبه کنند.این روش شبیه به تصویربرداری اشعه ایکس یا رادار نفوذگر زمین است، با این تفاوت که از پرتوهای کیهانی یا میون های پرانرژی طبیعی به جای اشعه ایکس یا امواج رادیویی استفاده میشود. این انرژی بالاتر امکان تصویربرداری از مواد ضخیم و متراکم را فراهم می کند. هر چه جسم تصویر شده چگال تر باشد، میون های بیشتری مسدود می شوند. سیستم مووگرافیکس متکی به چهار ایستگاه مرجع تشخیص پرتوهای کیهانی یا میون در بالای زمین است که به عنوان تنظیم کننده برای گیرنده های تشخیص میون، که در زیر زمین یا زیر آب مستقر هستند، عمل میکند.
این تیم اولین آزمایش یک آرایه حسگر زیر آب مبتنی بر میون را در سال 2021 انجام داد و از آن برای تشخیص شرایط جزر و مدی در حال تغییر در خلیج توکیو استفاده کرد. آنها ده آشکارساز پرتوهای کیهانی را در تونل خدماتی مسیرآبی خلیج توکیو که حدود 45 متر زیر سطح دریاست، قرار دادند. آنها توانستند دریای بالای تونل را با وضوح فضایی 10 متر و وضوح زمانی یک متر به تصویر بکشند که برای نشان دادن توانایی سیستم در تشخیص امواج طوفان یا سونامی قوی کافی است.
این آرایه در سپتامبر همان سال زمانی یک طوفان از سمت جنوب به ژاپن نزدیک می شد مورد آزمایش قرار گرفت. این طوفان موج های اقیانوسی و سونامی خفیفی ایجاد کرد. حجم اضافی آب اندکی باعث افزایش پراکندگی میون ها شد و این تغییرات به خوبی با سایر اندازه گیری های موج های اقیانوس مطابقت داشت. سال گذشته، تیم تاناکا گزارش داد که با استفاده از مووگرافی، نمایه عمودی یک طوفان را با موفقیت تصویربرداری کردهاند، که برشهای طوفان را نشان میدهد و تغییرات چگالی را آشکار میکند. آنها دریافتند که هسته گرم، برخلاف هسته بیرونی سرد با فشار بالا، چگالی کمی دارد. در ارتباط با سیستم های ردیابی ماهواره ای موجود، مووگرافی می تواند پیش بینی طوفان را بهبود بخشد.
در مطالعات قبلی، این تیم گیرنده را با سیمی به ایستگاه زمینی متصل می کرد که حرکت را بطور قابل توجهی محدود می کرد. در نسخه جدید، سیستم ناوبری بیسیم موومتریک یا MuWNS همانطور که از نامش مشخص است، کاملاً بیسیم است و از ساعتهای کوارتز با دقت بالا برای همگامسازی ایستگاههای زمینی با گیرنده استفاده میکند. در مجموع، ایستگاه های مرجع و ساعت های هماهنگ، تعیین مختصات گیرنده را ممکن می سازند.
برای اجرای آزمایشی، ایستگاه های زمینی در طبقه ششم یک ساختمان قرار گرفتند و یک ناوبر که گیرنده را در دست داشت در راهروهای زیرزمین قدم زد. اندازه گیری های به دست آمده برای محاسبه مسیر ناوبری و تایید مسیر طی شده استفاده شد. به گفته تاناکا، MuWNS با دقتی بین 2 تا 25 متر با بردی به اندازه 100 متر اجرا می شود. او گفت: این مشابه موقعیت یابی GPS تک نقطه ای بالای زمین در مناطق شهری است و کلید دقت بیشتر همگام سازی زمان است.
یک راه حل می تواند ترکیب ساعت های اتمی در مقیاس تراشه ای در دسترس تجاری باشد که دقت آنها دو برابر ساعت های کوارتز است. اما این ساعتهای اتمی در حال حاضر بسیار گران هستند، اگرچه تاناکا پیشبینی میکند که هزینه آن در آینده کاهش یابد زیرا این فناوری به طور گستردهتر در تلفنهای همراه گنجانده میشود. بقیه وسایل الکترونیکی مورد استفاده در MuWNSهم احتمالا در آینده کوچک می شوند تا آن را به یک دستگاه دستی تبدیل کنند.
