Il sistema di posizionamento utilizza i muoni cosmici per navigare nel sottosuolo - Physics World

I muoni cosmici potrebbero fornire un'alternativa pratica ai sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS) in luoghi dove i segnali radio non possono arrivare. Questa è la conclusione della collaborazione muPS, che ha creato un sistema che ha funzionato in profondità nel seminterrato di un edificio universitario. Il team muPS era guidato da Hiroyuki tanaka presso l'Università di Tokyo, e il suo nuovo sistema potrebbe consentire agli utenti di navigare in ambienti interni, sotterranei e sottomarini.

I GNSS come il GPS funzionano trasmettendo segnali radio da un gruppo di satelliti a un ricevitore a terra. Mentre i GNSS hanno rivoluzionato il modo in cui ci spostiamo, i segnali GNSS vengono rapidamente attenuati da materiali come metallo, cemento, roccia e acqua, limitandone l'uso in ambienti interni, sottoterra e sott'acqua.

Nel 2020 il team di Tanaka ha introdotto un approccio completamente nuovo che traccia la posizione di un ricevitore utilizzando i muoni cosmici. Queste particelle vengono create quando i raggi cosmici ad alta energia entrano in collisione con l'atmosfera terrestre e piovono costantemente su di noi.

Muoversi attraverso le montagne

"I muoni cosmici non vengono intercettati come le onde radio, poiché possono penetrare anche attraverso piramidi o montagne, rendendo la tecnica adatta alla navigazione universale interna o sotterranea", spiega Tanaka.

Soprannominato muPS Wireless Navigation System (muWNS) dai suoi inventori, il sistema sostituisce i satelliti con una rete di tre o più rilevatori di muoni di riferimento, che sono sincronizzati con un rilevatore ricevitore. Questi rilevatori di riferimento possono essere installati su tetti o piani superiori per la navigazione interna, oppure a livello del suolo o del mare per la navigazione attraverso ambienti sotterranei o sottomarini.

Il sistema funziona identificando i muoni che sono passati attraverso uno dei rivelatori di riferimento e poi sono passati attraverso il ricevitore. Questi muoni viaggiano a una velocità prossima a quella della luce, il che consente a muWNS di calcolare la distanza tra il rivelatore di riferimento e il ricevitore. Facendo questo più volte utilizzando diversi rilevatori di riferimento, il sistema utilizza la triangolazione per determinare la posizione del ricevitore.

Sebbene il concetto sia semplice, il team di Tanaka ha dovuto superare diverse sfide durante lo sviluppo di muWNS. Il progetto iniziale richiedeva che il ricevitore fosse collegato a ciascun rilevatore di riferimento per garantire una precisa sincronizzazione dell'ora, il che limitava notevolmente la portata e l'utilità del sistema.

Cronometraggio di precisione

Per aggirare questo problema, il team ha dotato i rivelatori di orologi a cristalli di quarzo ultraprecisi, che sono stati sincronizzati per consentire loro di confrontare i tempi di arrivo dei muoni in modalità wireless.

I ricercatori sono anche riusciti a migliorare la precisione del loro sistema iniziale. "Quando muWNS è stato dimostrato per la prima volta circa un anno fa, la precisione di navigazione era solo fino a 10 m", ricorda Tanaka. "Questo è ben lungi dall'essere un livello soddisfacente per l'attuazione pratica."

Migliorando ulteriormente la precisione degli orologi, il team ha ridotto significativamente gli errori che si accumulano nei tempi. Nell'ultima dimostrazione, il team di Tanaka ha dimostrato che muWNS è ora sufficientemente preciso da essere utile per la navigazione indoor.

In un nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato muWNS per tracciare il percorso di un utente attraverso il seminterrato dell'Istituto di scienze industriali dell'Università di Tokyo, un'area che non può essere raggiunta dal GNSS convenzionale. Ciò è stato fatto utilizzando rilevatori di riferimento posizionati al sesto piano dell'edificio.

Notevole miglioramento

Quando l'utente si trovava a distanza ravvicinata con i rilevatori di riferimento, il sistema mostrava un notevole miglioramento. "L'attuale precisione di muWNS è di 2-25 m, con una portata fino a 100 m, a seconda della profondità e della velocità della persona che cammina", spiega Tanaka. "Questo è buono quanto, se non migliore, del posizionamento GPS a punto singolo in superficie nelle aree urbane."

Reattore nucleare ricostruito in 3D utilizzando l'imaging di muoni

Tuttavia, Tanaka afferma che c'è ancora molto spazio per migliorare. “MuWNS è ancora tutt'altro che pratico. Le persone hanno bisogno di una precisione di un metro e la chiave per questo è la sincronizzazione dell'ora".

I ricercatori sperano che futuri miglioramenti possano essere apportati utilizzando orologi atomici su scala di chip per il cronometraggio. Questi orologi sono di un ordine di grandezza più precisi dei cristalli di quarzo, ma oggi sono troppo costosi per un uso pratico. Il team di Tanaka intende anche miniaturizzare i componenti del sistema e ritiene che alla fine potrebbe adattarsi a un dispositivo portatile.

La ricerca è descritta in iScienza.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/positioning-system-uses-cosmic-muons-to-navigate-underground/