Мюоны вместо GPS: японские учёные разрабатывают подземную систему навигации. Как это работает?
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.
