Naviguer sous terre avec des muons cosmiques

Des particules ultrarapides de taille subatomique appelées muons ont été utilisées pour naviguer sans fil sous terre dans une première mondiale. En utilisant des stations au sol de détection de muons synchronisées avec un récepteur souterrain de détection de muons, des chercheurs de l’Université de Tokyo ont pu calculer la position du récepteur dans le sous-sol d’un immeuble de six étages. Comme le GPS ne peut pas pénétrer dans la roche ou l’eau, cette nouvelle technologie pourrait être utilisée dans les futurs efforts de recherche et de sauvetage, pour surveiller les volcans sous-marins et guider les véhicules autonomes sous terre et sous l’eau.

Le GPS, le système de positionnement global, est un outil de navigation bien établi et offre une longue liste d’applications positives, allant des voyages aériens plus sûrs à la cartographie de localisation en temps réel. Cependant, il a certaines limites. Les signaux GPS sont plus faibles à des latitudes plus élevées et peuvent être brouillés ou usurpés (lorsqu’un signal contrefait remplace un signal authentique). Les signaux peuvent également être réfléchis par des surfaces comme les murs, gênés par les arbres, et ne peuvent pas traverser les bâtiments, les rochers ou l’eau.

En comparaison, les muons ont fait la une des journaux ces dernières années pour leur capacité pour nous aider à regarder au plus profond des volcans, à jeter un coup d’œil à travers les pyramides et à voir à l’intérieur des cyclones. Les muons tombent constamment et fréquemment dans le monde (environ 10 000 par mètre carré par minute) et ne peuvent être altérés. “Les muons des rayons cosmiques tombent de manière égale sur la Terre et voyagent toujours à la même vitesse, quelle que soit la matière qu’ils traversent, pénétrant même des kilomètres de roche”, a expliqué le professeur Hiroyuki Tanaka de Muographix à l’Université de Tokyo. “Maintenant, en utilisant des muons, nous avons développé un nouveau type de GPS, que nous avons appelé le système de positionnement muométrique (muPS), qui fonctionne sous terre, à l’intérieur et sous l’eau.”

MuPS a été initialement créé pour aider à détecter les changements du fond marin causés par les volcans sous-marins ou les mouvements tectoniques. Il utilise quatre stations de référence de détection de muons en surface pour fournir les coordonnées d’un récepteur souterrain de détection de muons. Les premières itérations de cette technologie exigeaient que le récepteur soit connecté à une station au sol par un fil, ce qui restreignait considérablement les mouvements. Cependant, cette dernière recherche utilise des horloges à quartz de haute précision pour synchroniser les stations au sol avec le récepteur. Les quatre paramètres fournis par les stations de référence ainsi que les horloges synchronisées utilisées pour mesurer le « temps de vol » des muons permettent de déterminer les coordonnées du récepteur. Ce nouveau système s’appelle le système de navigation sans fil muométrique (MuWNS).

Pour tester la capacité de navigation de MuWNS, des détecteurs de référence ont été placés au sixième étage d’un immeuble tandis qu’un « navigateur » a emmené un détecteur récepteur au sous-sol. Ils marchaient lentement dans les couloirs du sous-sol en tenant le récepteur. Plutôt que de naviguer en temps réel, des mesures ont été prises et utilisées pour calculer leur itinéraire et confirmer le chemin qu’ils avaient emprunté.

« La précision actuelle de MuWNS est comprise entre 2 mètres et 25 mètres, avec une portée allant jusqu’à 100 mètres, selon la profondeur et la vitesse de la personne qui marche. C’est aussi bon, sinon meilleur, que le positionnement GPS à point unique au-dessus du sol dans les zones urbaines », a déclaré Tanaka. « Mais c’est encore loin d’être un niveau pratique. Les gens ont besoin d’une précision d’un mètre, et la clé pour cela est la synchronisation de l’heure. »

L’amélioration de ce système pour permettre une navigation en temps réel et au mètre près dépend du temps et de l’argent. Idéalement, l’équipe souhaite utiliser des horloges atomiques à l’échelle de la puce (CSAC) : « Les CSAC sont déjà disponibles dans le commerce et sont deux ordres de grandeur meilleurs que les horloges à quartz que nous utilisons actuellement. Cependant, ils sont trop chers pour que nous les utilisions maintenant. Mais je prévois qu’ils deviendront beaucoup moins chers à mesure que la demande mondiale de CSAC pour les téléphones portables augmentera », a déclaré Tanaka.

MuWNS pourrait un jour être utilisé pour diriger des robots travaillant sous l’eau ou guider des véhicules autonomes sous terre. Mis à part l’horloge atomique, tous les autres composants électroniques de MuWNS peuvent désormais être miniaturisés, de sorte que l’équipe espère qu’il sera éventuellement possible de l’intégrer dans des appareils portables, comme votre téléphone. Dans les situations d’urgence comme l’effondrement d’un bâtiment ou d’une mine, cela peut changer la donne pour les équipes de recherche et de sauvetage.

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Titre du papier :

Hiroyuki KM Tanaka, Giuseppe Gallo, Jon Gluyas, Osamu Kamoshida, Domenico Lo Presti, Takashi Shimizu, Sara Steigerwald, Koji Takano, Yucheng Yang, Yusuke Yokota. Première navigation avec système de navigation muométrique sans fil (MuWNS) dans les environnements intérieurs et souterrains. iScience: 15 juin 2023.

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