Revolučný druh GPS funguje pod zemou, v interiéri aj pod vodou

Hoci navigačný systém GPS sa dnes široko používa, má niekoľko nedostatkov, najmä to, že nedokáže prechádzať cez budovy, skaly alebo vodu. Japonskí výskumníci preto vyvinuli alternatívny bezdrôtový navigačný systém, ktorý sa namiesto rádiových vĺn spolieha na kozmické žiarenie alebo mióny. Dokument o svojej práci uverejnili v časopise iScience. Tím uskutočnil prvý úspešný test a systém by jedného dňa mohli využívať napríklad pátracie a záchranné skupiny na navádzanie robotov pod vodou alebo na pomoc autonómnym vozidlám pri navigácii v podzemí.

„Mióny kozmického žiarenia dopadajú na Zem rovnako a vždy sa pohybujú rovnakou rýchlosťou bez ohľadu na to, akou hmotou prechádzajú, pričom preniknú aj kilometrami skál,“ povedal spoluautor Hiroyuki Tanaka z Tokijskej univerzity. „Teraz sme pomocou miónov vyvinuli nový druh GPS, ktorý sme nazvali muometrický polohový systém (muPS), ktorý funguje pod zemou, v interiéri aj pod vodou.“

Mióny sa už používajú na zobrazovanie archeologických štruktúr aj na hľadanie nelegálne prepravovaných jadrových materiálov na hraničných priechodoch či na monitorovanie aktívnych sopiek v nádeji, že sa zistí, kedy by mohli vybuchnúť. Fyzici z Národného laboratória v Los Alamos vyvíjali prenosné verzie miónových zobrazovacích systémov, aby odhalili tajomstvá konštrukcie kupoly na vrchole Dómu Panny Márie Kvetnej vo Florencii v Taliansku, ktorú začiatkom 15. storočia navrhol Filippo Brunelleschi.

Technológie RFID môžu dosiahnuť dobrú presnosť s malými batériami, ale vyžadujú riadiace centrum so servermi, tlačiarňami, monitormi atď. Výpočty v mŕtvych zónach bez externého signálu trpia zase chronickými chybami. Akustický či laserový skener a LIDAR majú takisto nevýhody. Tanaka a jeho kolegovia sa teda pri vývoji vlastného alternatívneho systému obrátili na mióny. Metódy miónového zobrazovania zvyčajne zahŕňajú komory naplnené plynom. Keď mióny prechádzajú plynom, zrážajú sa s časticami plynu a vyžarujú svetelný záblesk (scintilácia), ktorý je zaznamenaný detektorom, čo umožňuje vedcom vypočítať energiu a trajektóriu častice.

Je to podobné ako röntgenové snímkovanie alebo pozemný radar, ale namiesto röntgenového žiarenia alebo rádiových vĺn sa používajú prirodzene sa vyskytujúce vysokoenergetické mióny. Ich vyššia energia umožňuje zobrazovať hrubé a husté látky. Čím hustejší je snímaný objekt, tým viac miónov je blokovaných. Systém japonských vedcov sa spolieha na štyri referenčné stanice na detekciu miónov nad zemou, ktoré slúžia ako súradnice pre prijímače na detekciu miónov, ktoré sú umiestnené buď pod zemou, alebo pod vodou.

Tím vykonal prvú skúšku sústavy miónových senzorov pod vodou v roku 2021, pričom ju použil na detekciu rýchlo sa meniacich podmienok prílivu a odlivu v Tokijskom zálive. Desať miónových detektorov umiestnili do servisného tunela cestnej komunikácie v Tokijskom zálive Aqua-Line, ktorá sa nachádza približne 45 metrov pod hladinou mora. Dokázali zobraziť more nad tunelom s priestorovým rozlíšením 10 metrov a časovým rozlíšením jeden meter, čo je dostatočné na preukázanie schopnosti systému zaznamenať silné búrkové vlny alebo cunami.

Sústava bola otestovaná v septembri toho istého roku, keď Japonsko zasiahol tajfún, ktorý sa približoval z juhu a spôsobil mierne vlnobitie a cunami. Minulý rok Tanakov tím oznámil, že úspešne zobrazil vertikálny profil cyklónu pomocou muografie, pričom ukázal priečne rezy cyklónu a odhalil zmeny v hustote. Zistili, že teplé jadro má nízku hustotu v kontraste s chladným vonkajším prostredím s vysokým tlakom. V spojení s existujúcimi satelitnými sledovacími systémami by muografia mohla zlepšiť predpovede cyklónov.

V predchádzajúcich iteráciách tímu bol prijímač spojený s pozemnou stanicou pomocou drôtu, čo značne obmedzovalo pohyb. Nová verzia – MuWNS – je úplne bezdrôtová a na synchronizáciu pozemných staníc s prijímačom používa vysoko presné kremenné hodiny. Referenčné stanice a synchronizované hodiny spolu umožňujú určiť súradnice prijímača.

Počas skúšobnej prevádzky boli pozemné stanice umiestnené na šiestom poschodí budovy a „navigátor“ držiaci prijímač sa prechádzal po chodbách v suteréne. Výsledné merania sa použili na výpočet trasy navigátora a potvrdenie prejdenej trasy. MuWNS fungoval s presnosťou 2 až 25 metrov a s dosahom až 100 metrov. „Je to rovnako dobré, ak nie lepšie, ako jednobodové určovanie polohy GPS nad zemou v mestských oblastiach,“ povedal Tanaka. „Ale stále to má ďaleko od praktickej úrovne. Ľudia potrebujú presnosť na jeden meter a kľúčom k tomu je časová synchronizácia.“

Jedným z riešení by bolo začlenenie komerčne dostupných atómových hodín vo veľkosti čipov, ktoré sú dvakrát presnejšie ako kremenné hodiny. Tieto atómové hodiny sú však v súčasnosti príliš drahé, hoci Tanaka predpokladá, že ich cena sa v budúcnosti zníži, keď sa táto technológia začne vo väčšej miere používať v mobilných telefónoch. Zvyšok elektroniky použitej v MuWNS bude v budúcnosti miniaturizovaný, aby sa z neho stalo prenosné zariadenie.

Zdroj: arstechnica.com.