العلماء يجرون الاختبار الأول لنظام الملاحة اللاسلكي بالأشعة الكونية – Ars Technica

يعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الآن الدعامة الأساسية للحياة اليومية ، حيث يساعدنا في تحديد المواقع والملاحة والتتبع ورسم الخرائط والتوقيت عبر مجموعة واسعة من التطبيقات. لكن لديها بعض العيوب ، وأبرزها عدم القدرة على المرور عبر المباني أو الصخور أو المياه. لهذا السبب طور الباحثون اليابانيون نظامًا بديلًا للملاحة اللاسلكية يعتمد على الأشعة الكونية ، أو الميونات ، بدلاً من موجات الراديو ، وفقًا لـ ورقة جديدة نشرت في مجلة iScience. أجرى الفريق أول اختبار ناجح له ، ويمكن أن تستخدم فرق البحث والإنقاذ النظام يومًا ما ، على سبيل المثال ، لتوجيه الروبوتات تحت الماء ، أو مساعدة المركبات المستقلة على الإبحار تحت الأرض.

“تسقط ميونات الأشعة الكونية بالتساوي عبر الأرض وتنتقل دائمًا بنفس السرعة بغض النظر عن المادة التي تعبرها ، وتخترق حتى كيلومترات من الصخور ،” قال المؤلف المشارك هيرويوكي تاناكا ل Muographix في جامعة طوكيو باليابان. “الآن ، باستخدام الميونات ، طورنا نوعًا جديدًا من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، والذي أطلقناه على نظام تحديد المواقع الميوميتر (muPS) ، والذي يعمل تحت الأرض وفي الداخل وتحت الماء.”

كما ذكرنا سابقًا ، هناك تاريخ طويل لاستخدام الميونات في صورة الهياكل الأثرية، أصبحت العملية أسهل لأن الأشعة الكونية توفر إمدادًا ثابتًا من هذه الجسيمات. كما تستخدم الميون مطاردة المنقولة بشكل غير قانوني المواد النووية عند المعابر الحدودية ورصد البراكين النشطة على أمل اكتشاف متى قد تنفجر. في عام 2008 ، عمل علماء في جامعة تكساس ، أوستن، كاشفات الميون القديمة المعاد استخدامها للبحث عن أطلال المايا المخفية المحتملة في بليز. قام الفيزيائيون في مختبر لوس ألاموس الوطني بتطوير نسخ محمولة من أنظمة تصوير الميون لكشف أسرار بناء القبة (Il Duomo) على قمة كاتدرائية القديسة مريم للزهرة في فلورنسا بإيطاليا ، صممه فيليبو برونليسكي في أوائل القرن الخامس عشر.

في عام 2016 ، استخدم العلماء التصوير بالميون التقط الإشارات يشير إلى ممر مخفي خلف كتل شيفرون الشهيرة على الوجه الشمالي من الهرم الأكبر بالجيزة في مصر. في العام التالي ، اكتشف نفس الفريق فراغًا غامضًا في منطقة أخرى من الهرم ، معتقدين أنه يمكن أن يكون غرفة مخفية ، والتي تم رسمها لاحقًا باستخدام اثنين مختلفين التصوير بالميون طُرق. وفي الشهر الماضي فقط ، استخدم العلماء التصوير بالميون لاكتشاف غرفة مخبأة سابقًا في أنقاض مقبرة نيابوليس القديمة ، على بعد حوالي 10 أمتار (حوالي 33 قدمًا) تحت مدينة نابولي بإيطاليا الحالية.

يمكن أن تكون الروبوتات والمركبات المستقلة يومًا ما شائعة في المنازل والمستشفيات والمصانع وعمليات التعدين ، وكذلك في مهام البحث والإنقاذ ، ولكن لا توجد حتى الآن وسيلة عالمية للملاحة وتحديد المواقع ، حسب تاناكا وآخرون. كما لوحظ ، لا يمكن لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) اختراق تحت الأرض أو تحت الماء. يمكن لتقنيات RFID تحقيق دقة جيدة مع البطاريات الصغيرة ، ولكنها تتطلب مركز تحكم به خوادم وطابعات وشاشات وما إلى ذلك. يعاني الحساب الميت من أخطاء تقدير مزمنة بدون إشارة خارجية لتوفير التصحيح. الأساليب الصوتية ، والماسح الضوئي بالليزر ، والليدار لها عيوب أيضًا. لذلك لجأ تاناكا وزملاؤه إلى الميونات عند تطوير نظامهم البديل.

عادةً ما تتضمن طرق التصوير بالميون غرفًا مملوءة بالغاز. عندما تنطلق الميونات عبر الغاز ، فإنها تصطدم بجزيئات الغاز وتنبعث منها وميض ضوئي (وميض) ، يتم تسجيله بواسطة الكاشف ، مما يسمح للعلماء بحساب طاقة الجسيم ومسارها. إنه مشابه للتصوير بالأشعة السينية أو الرادار المخترق للأرض ، باستثناء الميونات عالية الطاقة التي تحدث بشكل طبيعي بدلاً من الأشعة السينية أو موجات الراديو. هذه الطاقة العالية تجعل من الممكن تصوير مادة كثيفة كثيفة. كلما كان الكائن المصور أكثر كثافة ، تم حظر المزيد من الميونات. يعتمد نظام Muographix على أربع محطات مرجعية لاكتشاف الميونات فوق الأرض تعمل كإحداثيات لمستقبلات الكشف عن الميون ، والتي يتم نشرها إما تحت الأرض أو تحت الماء.

أجرى الفريق المحاكمة الأولى من مجموعة مستشعرات تحت الماء قائمة على الميون في عام 2021 ، لاستخدامها لاكتشاف ظروف المد والجزر المتغيرة بسرعة في خليج طوكيو. لقد وضعوا عشرة أجهزة كشف للميون داخل نفق الخدمة لطريق طوكيو باي أكوا لاين ، الذي يقع على بعد حوالي 45 مترًا (147 قدمًا) تحت مستوى سطح البحر. كانوا قادرين على تصوير البحر فوق النفق بدقة مكانية تبلغ 10 أمتار (حوالي 33 قدمًا) ودقة زمنية تبلغ مترًا واحدًا (3.3 قدمًا) ، وهو ما يكفي لإثبات قدرة النظام على استشعار موجات العاصفة القوية أو موجات تسونامي.

تم اختبار المصفوفة في سبتمبر من نفس العام ، عندما ضرب اليابان إعصار قادم من الجنوب ، مما أدى إلى تضخم المحيط وتسونامي. الحجم الزائد للماء زاد قليلا تشتت الميونات ، وهذا الاختلاف يتوافق جيدًا مع القياسات الأخرى لتضخم المحيطات. وفي العام الماضي ، أفاد فريق تاناكا أنهم قاموا بذلك تم تصويره بنجاح المظهر الرأسي للإعصار باستخدام التصوير الشعاعي ، يظهر المقاطع العرضية للإعصار ويكشف عن الاختلافات في الكثافة. اكتشفوا أن اللب الدافئ كان منخفض الكثافة ، على عكس الجزء الخارجي البارد عالي الضغط. بالاقتران مع أنظمة التتبع الساتلية الحالية ، يمكن أن يحسن التصوير الشعاعي تنبؤات الأعاصير.

ربطت التكرارات السابقة للفريق جهاز الاستقبال بالمحطة الأرضية بسلك ، مما حد من الحركة إلى حد كبير. هذا الإصدار الجديد – نظام الملاحة اللاسلكي ميومتري ، أو MuWNS – كما يوضح الاسم ، لاسلكي تمامًا ، ويستخدم ساعات كوارتز عالية الدقة لمزامنة المحطات الأرضية مع جهاز الاستقبال. مجتمعة ، المحطات المرجعية والساعات المتزامنة تجعل من الممكن تحديد إحداثيات جهاز الاستقبال.

بالنسبة للتشغيل التجريبي ، تم وضع المحطات الأرضية في الطابق السادس من المبنى وسار “الملاح” الذي يحمل جهاز الاستقبال حول ممرات الطابق السفلي. تم استخدام القياسات الناتجة لحساب مسار الملاح وتأكيد المسار الذي تم قطعه. وفقًا لتاناكا ، كان أداء MuWNS بدقة تتراوح بين 2 و 25 مترًا (6.5 إلى 82 قدمًا) ، بمدى يصل إلى 100 متر (حوالي 328 قدمًا). وقال: “هذا جيد مثل ، إن لم يكن أفضل ، من تحديد موقع GPS أحادي النقطة فوق الأرض في المناطق الحضرية”. “لكنها لا تزال بعيدة عن المستوى العملي. يحتاج الناس إلى دقة متر واحد ، ومفتاح ذلك هو مزامنة الوقت.”

يتمثل أحد الحلول في دمج الساعات الذرية ذات الحجم الرقائق المتوفرة تجارياً ، والتي تعد ضعف دقة ساعات الكوارتز. لكن هذه الساعات الذرية باهظة الثمن في الوقت الحالي ، على الرغم من أن تاناكا تتوقع انخفاض التكلفة في المستقبل مع دمج التكنولوجيا على نطاق أوسع في الهواتف المحمولة. سيتم تصغير بقية الأجهزة الإلكترونية المستخدمة في MuWNS من الآن فصاعدًا لجعلها جهازًا محمولًا.

DOI: iScience ، 2023. 10.1016 / j.isci.2023.107000 (حول DOIs).