“Kỹ thuật dựa trên hạt vũ trụ giống như GPS có thể điều hướng dưới lòng đất và dưới nước”

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo đã phát triển một công nghệ điều hướng không dây dựa trên các hạt muon có thể được sử dụng ở mọi nơi trên Trái đất kể cả bên trong và dưới lòng đất. Họ cho rằng, không giống như GPS, công nghệ này có thể xuyên qua các chướng ngại vật như nước, đất và đá, cho phép điều hướng ở những nơi khó khăn.

Công nghệ đề xuất được gọi là hệ thống định vị không dây muometric (MuWNS). Nó sử dụng muon, các hạt hạ nguyên tử chuyển động nhanh, đôi khi được gọi là “những viên gạch xây dựng cơ bản nhất của vũ trụ.” Hầu hết các tia vũ trụ chiếu vào Trái đất đều chứa muon.

Khi các proton và hạt nhân từ các tia vũ trụ va chạm với các hạt trong bầu khí quyển của Trái đất, các hạt muon được hình thành và giải phóng. Nó nặng hơn một hạt điện tử hơn 200 lần và có thể xuyên sâu hơn một dặm vào bề mặt Trái đất, một kỳ tích mà tín hiệu GPS không thể đạt được.

Hiroyuki Tanaka, một trong những nhà nghiên cứu và là giáo sư tại Đại học Tokyo nói Khoa học ZME, “GPS sử dụng sóng vô tuyến yếu và dễ bị chặn bởi các chướng ngại vật nhỏ, do đó, bạn không thể điều hướng các môi trường trong nhà và dưới lòng đất bằng GPS. Mặt khác, muon có thể xuyên qua các vật thể lớn như kim tự tháp và núi.

Ông nói thêm: “Công nghệ mới này có thể được sử dụng trong các nỗ lực tìm kiếm và cứu nạn trong tương lai, để giám sát các ngọn núi lửa dưới nước và dẫn đường cho rô-bốt cũng như các phương tiện tự hành dưới lòng đất và dưới nước.”

MuWNS hoạt động như thế nào?

Mỗi phút, khoảng 10.000 muon tấn công mỗi mét vuông Trái đất. Sự tồn tại của chúng rất thoáng qua, chỉ tồn tại trong vài phần triệu giây trước khi phân hủy thành các hạt hạ nguyên tử nhẹ hơn như electron và neutrino.

Tanaka và nhóm của ông đã tìm ra cách khai thác muon. Trước đó, họ đã phát triển một hệ thống định vị đo lường (muPS) có khả năng cung cấp hình ảnh tia X về chuyển động của các mảng kiến ​​tạo, đá ngầm và núi lửa cũng như không gian sâu thẳm.

Các công nghệ hiện có như LiDAR (phát hiện ánh sáng và phạm vi) và INS (hệ thống định vị quán tính) cũng phần nào hữu ích cho mục đích này, mặc dù chúng có những nhược điểm quan trọng. Cái trước có thể dễ dàng bị chặn bởi các chướng ngại vật, trong khi cái sau trôi đi trong một khoảng thời gian ngắn. Trong khi đó, muPS không bị ảnh hưởng bởi một trong hai thách thức này.

Tuy nhiên, nó cũng có những hạn chế lớn của riêng nó. Không giống như GPS, hoạt động ở chế độ không dây, muPS yêu cầu mạng hữu tuyến để thiết lập kết nối giữa bốn trạm tham chiếu máy dò muon trên mặt đất và một máy thu tín hiệu muon dưới lòng đất.

Nếu không có kết nối có dây, loại hệ thống định vị này sẽ không hoạt động. Để vượt qua thử thách này, các nhà nghiên cứu đã sửa đổi muPS và sử dụng đồng hồ thạch anh có độ chính xác cao để đồng bộ hóa không dây máy dò và máy thu.

“Bốn tham số được cung cấp bởi trạm tham chiếu cũng như đồng hồ đồng bộ được sử dụng để đo “thời gian bay” của muon cho phép xác định tọa độ của máy thu. Hệ thống mới được gọi là hệ thống định vị không dây muometric (MuWNS)”, các nhà nghiên cứu cho biết.

Trong một thử nghiệm, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã sử dụng MuWNS để tìm đường đến vị trí của một máy thu được đặt dưới tầng hầm của một tòa nhà, cách nhà ga trên tầng sáu. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu ghi lại các phép đo và sau đó thực hiện các tính toán để cuối cùng xác nhận đường đi.

Hạn chế và tương lai của MuWNS

Công nghệ này không dành cho điều hướng hàng ngày mà bạn hoặc tôi sử dụng. GPS phù hợp hơn để tìm đường quanh các tiểu bang hoặc thành phố xa lạ nhờ thời gian phản hồi nhanh và độ chính xác của nó. Bạn có thể mất tín hiệu GPS trong đường hầm hoặc bên trong bãi đậu xe ngầm của trung tâm mua sắm, nhưng điều này có thể kiểm soát được. Tuy nhiên, có một số ứng dụng cụ thể mà MuWNS có thể rất có giá trị mặc dù có một số nhược điểm thực tế của nó.

Mặc dù có một cách để làm cho MuWNS cũng hoạt động trong thời gian thực, nhưng nó yêu cầu đồng hồ nguyên tử cấp độ chip (CSAC) rất đắt so với đồng hồ thạch anh. Ví dụ: một CSAC nhỏ có giá trên 1.000 đô la.

Tanaka tin rằng MuWNS là một bước quan trọng để đạt được điều hướng chính xác trong nhà và dưới lòng đất. Sau khi được phát triển đầy đủ, các hệ thống định vị như MuWNS có thể tăng tỷ lệ thành công của ngay cả những hoạt động tìm kiếm và cứu nạn phức tạp nhất.

Tuy nhiên, sẽ mất ít nhất 5 năm để công nghệ này được phát triển đầy đủ và phổ biến rộng rãi. Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu làm việc trên một phiên bản nâng cao của MuWNS có tên là Vector muPS không yêu cầu CSAC hoạt động trong thời gian thực.

Tanaka cho biết: “Thách thức tiếp theo là phát triển máy bay không người lái hoặc rô-bốt tự động được trang bị Vector muPS và thực hiện các hoạt động tự động trong các đường hầm dưới lòng đất, điều chưa từng có với công nghệ thông thường”.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí iScience.