Мы уже не представляем себе жизни и работы без GPS — на этой системе завязано очень многое. Она даёт возможность определять местоположение объектов и людей в любом месте Земли и околоземного космического пространства.
Японские учёные разработали систему подземной навигации, которую назвали MuWNS. Её основа— мюоны, субатомные частицы, которые возникают при столкновении космического излучения с атмосферой Земли. По словам японцев, новая технология даёт возможность ориентироваться в пещерах, подвалах, вести мониторинг активности вулканов и искать людей, которые попали под завалы. Как это работает и зачем было создано?
Зачем это всё?
GPS, несмотря на все свои возможности, работает не везде. Каждый из нас, вероятно, попадал в ситуацию, когда координаты не определялись — из-за высоких зданий вокруг, гор или чего-либо ещё. Под землёй или под водой GPS не работает вообще.
Зато туда проникают мюоны. На их основе уже созданы системы для изучения внутренней структуры горных пород или сооружений вроде египетских пирамид.
«Мюоны всегда движутся с одной и той же скоростью, независимо от того, через какую материю они проходят, горную породу или стену здания», — сказал соавтор Хироюки Танака (Hiroyuki Tanaka) из Токийского университета в Японии. «Используя мюоны, мы разработали новый тип системы геопозиционирования, который назвали мюометрической системой позиционирования (muPS). Она работает под землей, в помещении и под водой».
Технологию японцев нельзя назвать новой — мюоны использовали и раньше. Например, для определения нелегального провоза радиоактивных материалов через границу, мониторинга вулканической деятельности или обнаружения культурных артефактов прошлых эпох. Например, именно при помощи мюонов археологи смогли обнаружить руины сооружений майя в Белизе.
В 2016 году археологи при помощи портативной мюонной системы смогли обнаружить скрытый коридор за блоками на северной стороне Великой пирамиды в Гизе, Египет. Кроме того, используя ту же систему, та же команда нашла пустоту в другом месте пирамиды. Как оказалось, это внутреннее помещение, которое могло бы остаться ненайденным, если бы не новая технология.
В 2023 году учёные применили мюонный детектор для обнаружения скрытой камеры в руинах древнего некрополя Неаполя, который находится на глубине в 10 метров.
Как это работает?
Детекторы мюонов обычно состоят из камер, наполненных газом. Мюоны, сталкиваясь с молекулами газа, испускают фотоны, которые и регистрируются детектором. По количеству фотонов учёные рассчитывают энергию и траекторию движения частицы.
Система навигации, созданная учеными из Токио, состоит из четырёх детекторов на поверхности и одного детектора под землей. Детекторы регистрируют прохождение мюонов, определяя относительное положение подземного детектора по времени регистрации и направлению движения частиц. Для синхронизации детекторов используются высокоточные часы.
Вся эта система — не просто теория. Она уже существует и даже проверена в работе. Впервые ученые протестировали её в 2021 году для определения приливных условий в Токийском заливе. Они разместили 10 мюонных детекторов в служебном туннеле под заливом, который находится примерно на 45 метров ниже уровня моря. Им удалось создать «фотографию» моря над туннелем с разрешением, достаточным, чтобы можно было говорить о демонстрации способности системы обнаруживать сильные штормовые волны или цунами.
В 2022 году учёные при помощи мюонных детекторов зафиксировали подробную структуру циклона, который привел к появлению тайфуна, обрушившегося на Японию с юга. Это был тест, но он показал, что мюонная система дает возможность значительно улучшить прогнозирование появления тайфунов и вообще динамику погодных условий в определённом регионе.
Возможности системы
В ранних тестах детекторы и приемник были соединены проводами, что ограничивало возможности системы. Сейчас её улучшили, сделав беспроводной, что дало возможность увеличить масштаб применения MuWNS.
В новом тесте, проведённом недавно, наземные станции были размещены на шестом этаже здания. А оператор с приёмником ходил по коридорам подвала. Как оказалось, MuWNS работает с точностью от 2 до 25 метров с дальностью до 100 метров. По словам учёных, результат оправдал ожидания: система работает одинаково хорошо, если не лучше, чем подземные системы GPS-позиционирования.
Сейчас систему дорабатывают с тем, чтобы точность была улучшена до 1 метра, после чего можно создавать уже прикладные системы, которые могут использоваться для решения заявленных выше задач.
В будущем эту технологию можно будет использовать и для навигации роботов, которые работают под землей или под водой, а также для управления автономными транспортными средствами в зонах, где сигнал GPS очень слабый. Кроме того, японцы планируют создать на базе своей системы чип, который можно было бы интегрировать в мобильные телефоны и другие электронные устройства.
Комментарии (15)
j_aleks
05.07.2023 16:38+2еще более занятно, что не указан лаг одного измерения... а он занятный...
LittleDuck
05.07.2023 16:38не могли бы написать о каком лаге речь? а то стало интересно, бегло прочитал оригинальную статью, но глазом ни за что не зацепился
j_aleks
05.07.2023 16:38100500 лет тому назад, по "дискавери" что-ли, крутили серию по исследованию пирамид вышеозначенными товарищами с применением вышеуказанных технологий, насколько помню, они раскладывали по определенной схеме сенсоры в виде достаточно больших пластин (по крайней мере так смотрелось, толстые такие датчики) и запускали оборудование, которое работало несколько суток, потоки частиц достаточно случайны, и плотность их так-же непостоянна, и вобщем-то достаточно редка, по этому речь идет о накоплении информации, как из этого следует, для хотя-бы какой нибудь оперативности явно недостаточно, но для получения эффекта "просвечивания" их идея сработала, некую лишнюю "дырку" они нашли... сразу можно сказать, это была не "картинка" , а пространственное распределение зарегистрированных частиц, которое нужно еще с известной доли вероятности суметь интерпритировать...
juramehanik
05.07.2023 16:38+2Для синхронизации детекторов используются высокоточные часы.
А как все хорошо начиналось... Навигация при путешествии к центру земли, вот это все. А часики чем синхронизировать будем? Правильно, по GPS =)
В будущем эту технологию можно будет использовать и для навигации роботов, которые работают под землей или под водой,
Ой, вот только незадача, канал связи же нужен, чтоб передавать время детектирования. По сему каналу связи можно конечно и часы засинхронизировать, но вот работа под водой или под землей (если это не подлодка с каналом радиосвязи связи в десятки килогерц) это уже под сомнением.
Концептуально конечно решение интересное и возможно таки воякам пригодится, но пока слишком много вопросов.
Sun-ami
05.07.2023 16:38+1Если синхронизировать часы по GPS, высокоточные часы нужны только на отслеживаемом объекте. Здесь же, насколько я понимаю, высокоточные часы есть и в каждом из детекторов на поверхности, что позволяет синхронизировать их один раз на столе, через короткие провода.
Канал связи с подводным или подземным детектором нужен. Для подводного аппарата он может быть акустическим, а для подземного — оптоволоконным, или радиоканалом с ретрансляторами.
saga111a
05.07.2023 16:38+2Как то мало без раскрытия подробностей работы системы, описани мюонов, генерация итп. Расписать можно много всего было.
Sun-ami
05.07.2023 16:38+4Насколько я понимаю, используются мюоны "широких атмосферных ливней" (ШАЛ). Эти мюоны появляются, когда в верхние слои атмосферы попадают протоны высоких энергий. Каждый из этих протонов создаёт большое количество мюонов, которые летят к земле в виде фронта с характеристиками, изученными обсерваториями, которые наблюдают такие частицы. Соответственно, по времени прихода фронта к детекторам можно определить направление, откуда пришел фронт, и взаимное расположение детекторов по этой координате, а по множеству таких фронтов — положение подземного детектора в трёхмерном пространстве (при помощи триангуляции, как в GPS)
alexsht
05.07.2023 16:38Вот оно как. А я на секундочку размечтался о системе связи на мюонах. Но не тут то было.
ss-nopol
05.07.2023 16:38Непонятен принцип определения координат. Понятно что можно выяснить расстояние до поверхности по разности интенсивности на поверхности и внизу. Но этого же мало. Чтобы получить координаты надо выяснить когда конкретный мюон прошёл мимо детектора вверху и потом задетектировать тот же мюон внизу и главное понять что это один и тот же мюон. А как это понять? И какова вероятность что мюон пройдёт через оба детектора? В общем хотелось бы подробностей.
ZlobniyShurik
Интересно, каковы габариты и энергопотребление этого мюонного детектора?
Просто, чтобы не получилось так, что сей детектор ещё и не на каждый танк впихнёшь, молчу уж о наручных часах/сотовом/прочей портативной технике.
knstqq
первые компьютеры даже в танк впихнуть не могли, не только уж в сумку или наручные часы.
Хотя да, интересно какой текущий статус.
Actaeon
ИИИ ??Самые элементарные соображения указывают , что время позиционирования будет обратно пропорционально объему детектора.
PS
Особенно удивляет этот энтузиазм, когда все сравнивают с "копухтером", чтоб у ДВС так КПД рос как трансзисторы на чипе . Уже б имели кпд 10^21% и галактическую империю.
knstqq
У первых паровых двигателей кпд был ~1% и меньше. У ф1 двс кпд 50%, обычные машины - 40, а электрические моторы до 98% (не считая потерь в батарее). Первые лазеры были размером с лабораторию, а сейчас за доллар в ларьке горсть. Фотоаппараты с чемодана уменьшились до милимметров во фронтальной камере и ещё меньше в специальных случаях. Искусственные алмазы с микрометрового размера увеличились на 9 порядков (миллиметры размера). Ещё примеров?
P.s у меня нет чрезвычайного оптимизма, но и пессимизма тоже не испытываю.