يعد نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الآن جزءًا أساسيًا من الحياة اليومية ، حيث يساعدنا في تحديد المواقع والملاحة والتتبع ورسم الخرائط والتوقيت في مجموعة واسعة من التطبيقات. لكن لها بعض العيوب ، لا سيما عدم قدرتها على المرور عبر المباني أو الصخور أو المياه. لهذا السبب طور الباحثون اليابانيون نظام ملاحة لاسلكي بديل يعتمد على الأشعة الكونية ، أو الميونات ، بدلاً من موجات الراديو. ورقة جديدة نُشر في مجلة iScience. أجرى الفريق أول اختبار ناجح له ، ويمكن أن تستخدم فرق البحث والإنقاذ النظام يومًا ما ، على سبيل المثال ، لتوجيه الروبوتات تحت الماء أو مساعدة المركبات المستقلة على الإبحار تحت الأرض.

“تسقط ميونات الأشعة الكونية بالتساوي عبر الأرض وتنتقل دائمًا بنفس السرعة بغض النظر عن الجسم الذي تمر من خلاله وتخترق كيلومترات من الصخور.” قال المؤلف المشارك هيرويوكي تاناكا ل ميوجرافيكس في جامعة طوكيو باليابان. “الآن ، باستخدام الميونات ، طورنا نوعًا جديدًا من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) نسميه نظام تحديد المواقع بالأم (MUPS) الذي يعمل تحت الأرض وفي الداخل وتحت الماء.”

كما ذكرنا سابقًا ، فإن استخدام الميونات له تاريخ طويل التراكيب الأثرية، وهي عملية تسهلها الأشعة الكونية وتوفر إمدادًا ثابتًا من هذه الجسيمات. كما تستخدم الميونات البحث عن الأشخاص المنقولين بطريقة غير مشروعة يجب مراقبة المعابر الحدودية بحثًا عن المواد النووية والبراكين النشطة على أمل اكتشاف متى قد تنفجر. في عام 2008 ، عمل علماء من جامعة تكساس في أوستن، كاشفات الميون القديمة المعاد استخدامها للبحث عن أطلال المايا المخفية المحتملة في بليز. يقوم الفيزيائيون في مختبر لوس ألاموس الوطني بتطوير نسخ مصغرة من أنظمة تصوير الميون لكشف أسرار بناء القبة (إل دومو). كاتدرائية القديسة مريم للزهرة صممه فيليبو برونليسكي في أوائل القرن الخامس عشر في فلورنسا بإيطاليا.

في عام 2016 ، استخدم العلماء التصوير بالميون التقطت الإشارات خلف كتل شيفرون الشهيرة على الوجه الشمالي يشير إلى ممر مخفي الهرم الأكبر بالجيزة في مصر. في العام التالي ، اكتشف نفس الفريق فراغًا غامضًا في جزء آخر من الهرم ، معتقدين أنه غرفة مخفية ، ثم قاموا برسم خرائط لها باستخدام تفاضلين. التصوير Muon طُرق. في الشهر الماضي ، استخدم العلماء تصوير الميون لاكتشاف غرفة كانت مخبأة سابقًا في أنقاض المقبرة القديمة ، على بعد حوالي 10 أمتار (حوالي 33 قدمًا) تحت مدينة نابولي بإيطاليا حاليًا.

قد تكون الروبوتات والمركبات ذاتية القيادة شائعة يومًا ما في المنازل والمستشفيات والمصانع وعمليات التعدين ، وكذلك في مهام البحث والإنقاذ ، ولكن بالنسبة لتاناكا ، لا يزال هناك نظام عالمي للملاحة وتحديد المواقع. واشياء أخرى عديدة. كما ذكرنا ، لا يمكن لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) اختراق تحت الأرض أو تحت الماء. يمكن لتقنيات RFID تحقيق دقة جيدة مع البطاريات الصغيرة ، ولكنها تتطلب مركز تحكم به خوادم وطابعات وشاشات وغير ذلك. يعاني الحساب الميت من أخطاء تقدير مزمنة بدون إشارة خارجية لتوفير تصحيح. المناهج الصوتية ، والماسح الضوئي بالليزر ، والليدار لها عيوب أيضًا. لذلك لجأ تاناكا وزملاؤه إلى الميونات أثناء تطوير نظامهم البديل.

عادةً ما تتضمن طرق التصوير بالميون غرفًا مملوءة بالغاز. عندما تنطلق الميونات عبر الغاز ، فإنها تصطدم بجزيئات الغاز وتنبعث منها وميضًا من الضوء (وميض) ، يتم تسجيله بواسطة الكاشف ، مما يسمح للعلماء بحساب طاقة الجسيم ومساره. إنه مشابه للتصوير بالأشعة السينية أو الرادار المخترق للأرض ، باستثناء الميونات عالية الطاقة التي تحدث بشكل طبيعي بدلاً من الأشعة السينية أو موجات الراديو. هذه الطاقة العالية تجعل من الممكن تصوير مادة أكثر سمكًا وكثافة. كلما زادت كثافة المادة المصوّرة ، تم حظر المزيد من الميونات. يعتمد نظام Muographix على أربع محطات مرجعية لاكتشاف الميون فوق سطح الأرض تعمل بمثابة إحداثيات لمستقبلات الكشف عن الميون الموضوعة تحت الأرض أو تحت الماء.

أجراها الفريق الاختبار الأول مجموعة مستشعرات تحت الماء قائمة على Muon لاكتشاف ظروف المد والجزر المتغيرة بسرعة في خليج طوكيو في عام 2021. وضعوا عشرة أجهزة كشف في نفق الخدمة لطريق طوكيو باي أكوا لاين ، الواقع على بعد حوالي 45 مترًا (147 قدمًا) تحت مستوى سطح البحر. كانوا قادرين على تصوير المحيط فوق النفق بدقة زمنية تبلغ 10 أمتار (حوالي 33 قدمًا) ومتر واحد (3.3 قدم) ، وهو ما يكفي لإثبات قدرة النظام على الشعور بعرام العواصف القوية أو موجات المد.

في سبتمبر من نفس العام ، ضرب اليابان إعصار قادم من الجنوب ، مما تسبب في موجات بحرية معتدلة وأمواج تسونامي. كمية إضافية من الماء زاد قليلا يتوافق تشتت الميونات وهذا التباين جيدًا مع القياسات الأخرى لتضخم المحيطات. في العام الماضي ، أعلن فريق تاناكا عن وجودهم تم تصويره بنجاح يُظهر المظهر الجانبي العمودي للإعصار ، باستخدام mueography ، المقاطع العرضية للإعصار ويكشف عن الاختلافات في الكثافة. ووجدوا أنه على عكس الجزء الخارجي البارد عالي الضغط ، فإن اللب الدافئ أقل كثافة. بالاقتران مع أنظمة مراقبة الأقمار الصناعية الحالية ، يمكن أن يحسن التصوير الشعاعي التنبؤات بالأعاصير.

قامت التكرارات السابقة للفريق بتوصيل جهاز الاستقبال بمحطة أرضية عن طريق الأسلاك ، مما أدى إلى تقييد الحركة بشكل كبير. هذا الإصدار الجديد – نظام الملاحة اللاسلكي Mumetric ، أو MuWNS – مسمى بشكل مناسب وهو لاسلكي بالكامل ، باستخدام ساعات كوارتز عالية الدقة لمزامنة المحطات الأرضية مع جهاز استقبال. تساعد المحطات المرجعية والساعات المتزامنة معًا في تحديد إحداثيات جهاز الاستقبال.

بالنسبة للتشغيل التجريبي ، تم وضع المحطات الأرضية في الطابق السادس من المبنى وسار جهاز “NaviG” يحمل جهاز الاستقبال حول ممرات الطابق السفلي. تم استخدام القياسات التي تم الحصول عليها لحساب المسار الملاحي وتأكيد المسار الذي تم قطعه. وفقًا لتاناكا ، فإن MuWNS 2 تعمل بدقة 25 مترًا (6.5 إلى 82 قدمًا) ، حتى 100 متر (حوالي 328 قدمًا). وقال: “إنها جيدة ، إن لم تكن أفضل ، من تحديد موقع GPS أحادي النقطة فوق الأرض في المناطق الحضرية”. “لكن هذا لا يزال بعيدًا عن المستوى العملي. يحتاج الناس إلى مقياس من الدقة ، ومفتاح ذلك هو مزامنة الوقت.”

يتمثل أحد الحلول في دمج الساعات الذرية ذات الحجم الرقائق المتوفرة تجارياً ، والتي تعد ضعف دقة ساعات الكوارتز. لكن تلك الساعات الذرية باهظة الثمن في الوقت الحالي ، على الرغم من أن تاناكا تتوقع انخفاض التكلفة في المستقبل مع دمج التكنولوجيا على نطاق واسع في الهواتف المحمولة. سيتم تصغير بقية الأجهزة الإلكترونية المستخدمة في MuWNS ، مما يجعلها جهازًا محمولًا.

DOI: iScience ، 2023. 10.1016 / j.isci.2023.107000 (حول DOIs).