Les scientifiques réalisent le premier test d’un système de radionavigation à rayons cosmiques

Le GPS est désormais un pilier de la vie quotidienne, nous aidant dans le positionnement, la navigation, le suivi, la cartographie et le chronométrage dans une variété d’applications. Mais il présente quelques inconvénients, notamment l’impossibilité de passer au-dessus des bâtiments, des rochers ou de l’eau. C’est pourquoi des chercheurs japonais ont développé un système de radionavigation alternatif qui repose sur les rayons cosmiques, ou muons, plutôt que sur les ondes radio. nouvelle feuille Publié dans la revue iScience. L’équipe a mené son premier test réussi, et les équipes de recherche et de sauvetage pourraient un jour utiliser le système pour, par exemple, guider des robots sous l’eau ou aider des véhicules autonomes à naviguer sous terre.

“Les muons des rayons cosmiques tombent uniformément sur la Terre et voyagent toujours à la même vitesse, quel que soit le matériau qu’ils traversent, même à travers des kilomètres de roche.” a déclaré le co-auteur Hiroyuki Tanaka le Muografix à l’Université de Tokyo, Japon. “Maintenant, en utilisant des muons, nous avons développé un nouveau type de GPS, que nous appelons muPS, qui fonctionne sous terre, à l’intérieur et sous l’eau.”

Comme mentionné précédemment, il existe une longue histoire d’utilisation des muons Image de la structure archéologiqueLe processus devient plus facile car les rayons cosmiques fournissent un apport constant de ces particules. Les muons sont également utilisés Chase a été transféré illégalement Matériel nucléaire aux passages frontaliers et surveillance des volcans actifs, dans l’espoir de détecter quand ils sont sur le point d’entrer en éruption. En 2008, des scientifiques de l’Université du Texas à Austin se sont mis au travailD’anciens détecteurs de muons sont à nouveau utilisés pour rechercher d’éventuelles ruines mayas cachées au Belize. Les physiciens du Laboratoire national de Los Alamos ont développé une version portable d’un système d’imagerie muonique pour percer les secrets de la construction du dôme (Il Duomo) ci-dessus Cathédrale Sainte-Marie de Vénus À Florence, en Italie, il a été conçu par Filippo Brunelleschi au début du XVe siècle.

En 2016, les scientifiques ont utilisé l’imagerie muonique Prends le signal Il indiquait un passage caché derrière le fameux bloc chevron du côté nord Grande pyramide de Gizeh en Egypte. L’année suivante, la même équipe a découvert un vide mystérieux dans une autre zone de la pyramide, pensant qu’il pourrait s’agir d’une chambre cachée, qu’ils ont ensuite peinte en utilisant deux couleurs différentes. imagerie des muons Méthode. Et pas plus tard que le mois dernier, des scientifiques ont utilisé l’imagerie muonique pour découvrir une chambre auparavant cachée dans les ruines de l’ancienne nécropole de Neapolis, à environ 10 mètres (environ 33 pieds) sous l’actuelle Naples, en Italie.

Les robots et les véhicules autonomes pourraient un jour devenir monnaie courante dans les maisons, les hôpitaux, les usines et les opérations minières, ainsi que dans les missions de recherche et de sauvetage, mais il n’existe pas encore de moyen universel de navigation et de positionnement, a déclaré Tanaka. et al. Comme indiqué, le GPS ne peut pas pénétrer sous terre ou sous l’eau. La technologie RFID peut atteindre une bonne précision avec une petite batterie, mais nécessite un centre de contrôle avec des serveurs, des imprimantes, des moniteurs, etc. Les comptes morts souffrent d’erreurs d’estimation chroniques sans indices externes pour fournir des corrections. Les méthodes acoustiques, à balayage laser et lidar présentent également des inconvénients. Alors Tanaka et ses collègues se sont tournés vers les muons lors du développement de leur système alternatif.

Les méthodes d’imagerie des muons impliquent généralement une chambre remplie de gaz. Lorsque les muons pénètrent dans le gaz, ils entrent en collision avec des molécules de gaz et émettent des éclairs de lumière, qui sont enregistrés par des détecteurs, permettant aux scientifiques de calculer les énergies et les trajectoires des particules. Il est similaire au radar à rayons X ou à pénétration du sol, sauf que les muons d’énergie plus élevée se produisent naturellement, pas les rayons X ou les ondes radio. Cette haute énergie permet de décrire la matière comme dense et dense. Plus l’objet imagé est dense, plus les muons sont bloqués. Le système Muographix s’appuie sur quatre stations de référence de détection de muons au-dessus du sol qui agissent comme coordonnées pour les récepteurs de détection de muons, situés sous terre ou sous l’eau.

L’équipe a fait premier essai d’une série de capteurs sous-marins à base de muons en 2021, qui seront utilisés pour détecter l’évolution rapide des conditions de marée dans la baie de Tokyo. Ils ont placé dix détecteurs de muons à l’intérieur du tunnel de service de la Tokyo Bay Aqua Line, qui est situé à environ 45 mètres (147 pieds) sous le niveau de la mer. Ils ont pu imager la mer au-dessus du tunnel avec une résolution spatiale de 10 mètres (environ 33 pieds) et une résolution temporelle de 1 mètre (3,3 pieds), suffisamment pour démontrer la capacité du système à détecter une forte onde de tempête ou un tsunami.

Le réseau a été testé en septembre de la même année, lorsqu’un typhon venant du sud a frappé le Japon, provoquant des vagues et un tsunami. Volume d’eau excédentaire légèrement augmenté dispersion des muons, et cette différence est en accord avec d’autres mesures de l’inflation océanique. Et l’année dernière, l’équipe de Tanaka a rapporté qu’ils avaient Filmé avec succès Le profil vertical d’une tornade, à l’aide de la radiographie, montre des coupes transversales de la tornade et révèle des différences d’intensité. Ils ont constaté que le noyau chaud a une faible densité, contrairement au froid et à la haute pression à l’extérieur. En combinaison avec les systèmes de suivi par satellite existants, l’imagerie radiographique peut améliorer la prévision des tempêtes.

Les itérations précédentes de l’équipe attachaient des récepteurs à des stations au sol avec des câbles, ce qui restreignait considérablement les mouvements. Cette nouvelle version, le système de navigation sans fil Muometric, ou MuWNS, comme son nom l’indique, est entièrement sans fil et utilise une horloge à quartz très précise pour synchroniser la station au sol avec le récepteur. Combinées, stations de référence et horloges synchrones permettent de déterminer les coordonnées du récepteur.

Pour les essais, la station terrienne était placée au sixième étage du bâtiment et le “navigateur” portant le récepteur parcourait les couloirs du sous-sol. Les mesures obtenues sont utilisées pour calculer la trajectoire du navigateur et confirmer l’itinéraire emprunté. Selon Tanaka, le MuWNS fonctionne avec une précision comprise entre 2 et 25 mètres (6,5 à 82 pieds), avec une portée allant jusqu’à 100 mètres (environ 328 pieds). « C’est aussi bon, sinon mieux, que le positionnement GPS en un seul point au-dessus du sol dans les zones urbaines », dit-il. “Mais c’est loin d’être pratique. Les gens ont besoin d’une précision d’un mètre, et la clé est la synchronisation de l’heure. »

Une solution consistait à incorporer une horloge atomique de la taille d’une puce disponible dans le commerce, qui était deux fois plus précise qu’une horloge à quartz. Mais ces horloges atomiques sont actuellement d’un coût prohibitif, même si Tanaka prédit que leur coût baissera à l’avenir à mesure que la technologie sera plus largement intégrée aux téléphones mobiles. L’électronique restante utilisée dans MuWNS sera désormais minimisée pour en faire un appareil portable.

DOI : iScience, 2023. 10.1016/j.isci.2023.107000 (à propos des DOI).