Eine Gruppe japanischer Entwickler hat kürzlich ein neues MuWNS-Navigationssystem vorgestellt, das unter und unter Wasser funktionieren soll. Der Betrieb des Systems basiert auf der Nutzung kosmischer Strahlung.
Die Reichweite der GPS-Satellitennavigation ist paradoxerweise sehr begrenzt. Und das, obwohl die Satelliten, die uns mit dem Navigationssystem verbinden, 20 km entfernt sind. Ja, sie fliegen hoch über der Oberfläche. Daher reicht bereits eine dicke Decke oder ein Abstieg in den Keller aus, damit die Anlage nicht mehr funktioniert. Dies kann sich jedoch durch die Nutzung kosmischer Strahlung zur Navigation ändern.
Die Satellitennavigation, so phänomenal sie auch ist und oft lebensrettend (ganz zu schweigen davon, dass sie jeden Tag einfacher wird), hat ihre Grenzen. Die idealen Voraussetzungen für den reibungslosen Betrieb eines solchen Systems sind ein klarer Himmel und eine Verbindung, die nicht durch Bäume oder vor allem Gebäude behindert wird. Andernfalls kann es sein, dass das Signal vom Satelliten einfach nicht unser Gerät erreicht und umgekehrt.
Diese Einschränkungen ergeben sich aus der Tatsache, dass die Satellitennavigation ein Funksignal verwendet, das viele der Hindernisse, die uns täglich umgeben, nicht überwinden kann. So wie die klassische Funkkommunikation Probleme hat, wenn wir uns im Aufzug, im Keller oder in der Tiefgarage befinden, reicht das Signal eines Satelliten nicht aus, um mehrere Meter Hindernisse zu durchbrechen. Denn 20 km sind für Funkwellen und Hindernisse im Weg eine ziemlich große Entfernung.
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Myonen statt Radio
Kürzlich haben Forscher der Universität Tokio jedoch eine auf Myonen basierende drahtlose Navigationstechnologie entwickelt, die überall auf der Erde eingesetzt werden kann, sogar tief unter der Erde und unter Wasser. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift iScience veröffentlicht. wen interessiert das kann ihn kennenlernen ausführlicher. Wir werden versuchen, alles in einfachen Worten zu erklären.
Was sind Myonen? Dabei handelt es sich um instabil geladene Elementarteilchen mit der größten Durchdringungsfähigkeit. Sie können im Labor gewonnen werden, aber das Wichtigste ist, dass ständig ein starker Myonenstrom in Form von kosmischen Strahlen die Erde erreicht, die fast 2 km tief in unseren Planeten eindringen. Auf jeden Quadratmeter der Erdoberfläche fallen etwa 10 Myonen pro Minute.
In den letzten Jahren haben Myonen große Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern auf sich gezogen. Aufgrund der hervorragenden Durchdringungsfähigkeit können Myonen verwendet werden, um die Tiefen von Vulkanen zu untersuchen, in das Herz von Pyramiden zu blicken und die innere Struktur von Wirbelstürmen zu untersuchen. Darüber hinaus bleiben Myonen immun gegen Störungen.
„Myonen der kosmischen Strahlung fallen gleichermaßen auf die Erde und bewegen sich immer mit konstanter Geschwindigkeit, unabhängig davon, welche Materie sie durchqueren, und überwinden sogar eine kilometerlange Gesteinsschicht.““, erklärte Professor Hiroyuki Tanaka von Muographix an der Universität Tokio. „Jetzt haben wir mithilfe von Myonen eine neue Art der Navigation entwickelt, die wir Muometrisches Positionierungssystem (muPS) nennen und das unter der Erde, in Innenräumen und unter Wasser funktioniert.“.
Die vorgeschlagene Technologie heißt Muometrisches drahtloses Navigationssystem (MuWNS), was als „myometrisches drahtloses Navigationssystem“ übersetzt werden kann. Es ist eine Verbesserung einer Technologie, die zuvor von denselben Forschern entwickelt wurde, die Myonen zur Analyse der Bewegungen tektonischer Platten verwendeten. Solche Untersuchungen trugen dazu bei, die Bewegung tektonischer Platten zu überwachen und darauf basierend frühzeitig vor möglichen Erdbeben zu warnen.
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Entfernungen messen mit MuWNS
Allerdings erfordert die Navigation den Vergleich der Entfernungen von mindestens vier Punkten, um die Position in einer 3D-Umgebung genau zu bestimmen. Myonen erreichen die Erde in einem kontinuierlichen Strom. Aber ihre einfache Entdeckung bringt nicht viel. Daher ist es notwendig, ein Kommunikationssystem zwischen den vier Stationen und dem Gerät zu schaffen, dessen Standort wir verfolgen möchten. In der Praxis bedeutet dies, dass das Äquivalent von MuWNS-Satelliten nicht unbedingt im Orbit sein muss, sondern auf der Erdoberfläche installiert werden kann. Das heißt, es handelt sich um Bodenbasisstationen.
Die erste Version der zur Untersuchung tektonischer Platten verwendeten Technologie war verkabelt, was bedeutete, dass das Signal zu und von jedem Sender über physische Kabel gesendet wurde. Dies macht es jedoch völlig unmöglich, es für eine effektive Navigation zu verwenden. Denn das ist eine ziemlich umständliche und teure Sache.
Die Lösung des Problems erwies sich als recht einfach. Zur drahtlosen Synchronisation von Detektoren und Empfängern wurden präzise Quarzuhren eingesetzt. Die Beschreibung von MuWNS lautet wie folgt:
„Vier Parameter, die von Basisstationen und synchronisierten Quarzuhren zur Messung der Myon-Flugzeit bereitgestellt werden, ermöglichen die Bestimmung der Empfängerkoordinaten.“
In einem der ersten Experimente wurde mithilfe einer Station im sechsten Stock des Gebäudes ein im Keller befindlicher Empfänger gefunden. Das ist unglaublich, denn das GPS-System wäre einer solchen Aufgabe definitiv nicht gewachsen.
Zu Testzwecken platzierten die Wissenschaftler die Detektoren im sechsten Stock des Gebäudes und den Detektor-Empfänger im Keller. Während sie sich vorsichtig durch die Kellerkorridore bewegten, nutzten die Forscher keine Navigation, sondern führten Echtzeitmessungen durch, um ihren Kurs zu bestimmen und den von ihnen eingeschlagenen Weg zu verifizieren.
Als Ergebnis des Experiments stellte sich heraus, dass die Genauigkeit von MuWNS zwischen 2 und 25 m liegt, mit einer Reichweite von bis zu 100 m, abhängig von der Tiefe und Geschwindigkeit der menschlichen Bewegung. Es ist genauso gut, wenn nicht sogar besser, als die Einzelpunkt-GPS-Positionierung über dem Boden in städtischen Gebieten. Aber die praktische Ebene ist noch weit entfernt. Menschen benötigen eine Genauigkeit von bis zu einem Meter, und Zeitsynchronisation ist der Schlüssel dazu.
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Es wird GPS nicht ersetzen, aber es wird Leben retten
Das neue MuWNS-Navigationssystem befindet sich also noch in der Entwicklungs- und Experimentierphase. Es ist noch ziemlich roh, es kommt nicht in Frage, es im Maßstab einer einzigen Stadt zu nutzen.
Darüber hinaus wird dieses System in der Praxis deutlich teurer sein, was seinen praktischen Nutzen einschränken kann. Darüber hinaus müssen für den weltweiten Einsatz Basisstationen dieser Art der Navigation über die ganze Welt verteilt sein, wie es heute Telekommunikationsstationen für die mobile Kommunikation sind. Im Vergleich dazu ist das gesamte GPS-System auf nur 31 Satelliten im Erdorbit angewiesen.
Das zweite Problem ist die Genauigkeit. Obwohl wir mit Hilfe des MuWNS-Navigationssystems mehr als 1,5 km unter der Erde „sehen“ können, ermöglicht uns der Einsatz von Quarzuhren zur Zeitsynchronisation die Orientierung an statischen Objekten, da schnelle Bewegungen zu Ortungsfehlern führen. Atomuhr-Chips könnten dieses Problem theoretisch lösen, aber sie kosten derzeit 2000 US-Dollar oder mehr, sodass die Kosten für jedes Gerät (Smartphone, Smartwatch usw.), das diese Technologie verwenden würde, mindestens um diesen Betrag deutlich steigen würden.
Die Verbesserung dieses Systems, die die Echtzeitnavigation deutlich genauer machen würde, kostet Zeit und Geld. Idealerweise möchte das Team Atomuhren im Chip-Maßstab (CSACs) verwenden, da CSACs bereits im Handel erhältlich und besser als aktuelle Quarzuhren sind. Allerdings sind sie uns mittlerweile zu teuer. Aber mit der Zeit werden sie hoffentlich viel billiger, da die weltweite Nachfrage nach CSACs für Mobiltelefone wächst.
Es wird mindestens fünf Jahre dauern, bis diese Technologie vollständig entwickelt und allgemein verfügbar ist. Forscher haben bereits mit der Arbeit an der nächsten Version von MuWNS namens Vector muPS begonnen, die keine Echtzeit-Atomuhren erfordert und damit eines der größten Probleme der Technologie löst.
Künftig könnte MuWNS zur Steuerung unbemannter Fahrzeuge im Untergrund oder zur Steuerung von Unterwasserrobotern eingesetzt werden. Neben der Atomuhr können alle anderen elektronischen Teile von MuWNS miniaturisiert werden, und das Entwicklungsteam geht davon aus, dass es bald möglich sein wird, MuWNS in tragbare Geräte wie ein Telefon zu integrieren. Dies könnte die Art und Weise verändern, wie Such- und Rettungsteams in Notsituationen arbeiten, beispielsweise bei einem Gebäude- oder Felseinsturz in einer Mine.
Es besteht kein Zweifel, dass die einzigartige MuWNS-Technologie auf Myonenbasis zum Einsatz kommen wird, denn unter bestimmten Bedingungen ist diese Navigation unvergleichlich besser als GPS. Wenn es notwendig ist, unter der Erde oder unter Wasser zu navigieren, beispielsweise bei Rettungs- oder geologischen Expeditionen, wird ein solches Navigationssystem, selbst wenn es vor Ort eingesetzt wird, eines der effektivsten Ortungsgeräte sein, die uns die Wissenschaft ermöglicht. Vielleicht wäre es mit seiner Hilfe möglich gewesen, die Passagiere und Besatzungsmitglieder zu retten Bathyskaph „Titan“, das kürzlich in den Gewässern des Pazifischen Ozeans versank.
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