Ricercatori dell’Università di Tokyo impiegando particelle superveloci di dimensioni subatomiche chiamate muoni, per la prima volta al mondo hanno navigato sottoterra in modalità wireless. Utilizzando stazioni terrestri di rilevamento di muoni sincronizzate con un ricevitore di rilevamento di muoni sotterraneo, sono stati in grado di calcolare la posizione del ricevitore nel seminterrato di un edificio di sei piani.
Il GPS poiché non può penetrare nella roccia o nell’acqua, la nuova tecnologia con i muoni potrebbe essere utilizzata in future situazioni di ricerca e salvataggio, per monitorare i vulcani sottomarini e guidare veicoli autonomi sottoterra e sott’acqua. La ricerca è stata pubblicata nella rivista iScience.
Il GPS, il sistema di posizionamento globale, è uno strumento di navigazione consolidato, offre un ampio elenco di applicazioni positive, dai viaggi aerei più sicuri alla mappatura della posizione in tempo reale, tuttavia, ha alcune limitazioni: i segnali GPS sono più deboli alle latitudini più elevate, possono essere bloccati o falsificati (dove un segnale contraffatto sostituisce uno autentico). I segnali possono anche essere riflessi da superfici come muri, interferire con gli alberi e non possono passare attraverso edifici, rocce o acqua.
I muoni in confronto, negli ultimi anni hanno fatto notizia per la loro capacità di aiutarci a guardare in profondità all’interno dei vulcani, a sbirciare attraverso le piramidi e a vedere dentro i cicloni. I muoni dall’atmosfera ricadono costantemente e frequentemente in tutto il mondo (circa 10.000 per metro quadrato al minuto) e non possono essere manomessi.
Hiroyuki K.M. Tanaka del Muographix Istituto internazionale di muografia virtuale (VMI), Global, dell’Università di Tokyo è esperto di Muografia una tecnica di acquisizione di immagini digitali che produce un’immagine di un volume registrando il passaggio di particelle elementari chiamate muoni sia in maniera elettronica sia chimica con materiali che sono sensibili a particelle cariche. I raggi cosmici provenienti dallo spazio generano muoni nell’atmosfera terrestre come il risultato di reazioni nucleare tra i raggi e i nuclei atomici atmosferici. Milioni di muoni attraversano la Terra quotidianamente.
Hiroyuki K.M. Tanaka ha guidato la ricerca, ha affermato:
«I muoni dei raggi cosmici ricadono in egual misura su tutta la Terra, viaggiano sempre alla stessa velocità, indipendentemente dalla materia che attraversano, penetrando anche chilometri di roccia. Ora, utilizzando i muoni, abbiamo sviluppato un nuovo tipo di GPS, che abbiamo chiamato Sistema di posizionamento muometrico (muPS), funziona sottoterra, al chiuso e sott’acqua. Ho evidenziato in un precedente studio nel 2015 che i muoni esistono solo per 2,2 microsecondi (un microsecondo è solo un milionesimo di secondo), ma poiché viaggiano nel vuoto alla velocità della luce (300.000 chilometri il secondo), hanno abbastanza tempo da raggiungere la Terra dall’atmosfera e penetrare in profondità nel terreno».
Il Sistema di posizionamento muometrico (muPS) inizialmente è stato creato per aiutare a rilevare i cambiamenti del fondale marino causati da vulcani sottomarini o movimenti tettonici. Utilizza quattro stazioni di riferimento per la rilevazione dei muoni in superficie per fornire le coordinate a un ricevitore per la rilevazione dei muoni nel sottosuolo. Le prime versioni di questa tecnologia richiedevano che il ricevitore fosse collegato a una stazione a terra tramite un filo, limitando notevolmente gli spostamenti.
Il nuovo sistema utilizza orologi al quarzo ad alta precisione per sincronizzare le stazioni a terra con il ricevitore. I quattro parametri forniti dalle stazioni di riferimento e gli orologi sincronizzati utilizzati per misurare il “tempo di volo” dei muoni, consentono di determinare le coordinate del ricevitore, questo nuovo sistema è chiamato Sistema di navigazione wireless muometrico (MuWNS).
È stato evidenziato che per testare la capacità di navigazione del MuWNS, i rilevatori di riferimento sono stati collocati al sesto piano di un edificio mentre un ricercatore “navigatore” ha portato un rilevatore ricevitore al piano interrato. I due ricercatori hanno camminato lentamente su e giù per i corridoi del seminterrato tenendo in mano il ricevitore. Le misurazioni sono state effettuate e utilizzate per calcolare il percorso e confermare la strada intrapresa.
Hiroyuki K.M. Tanaka ha dichiarato:
«L’accuratezza attuale di MuWNS è compresa tra 2 e 25 metri, con una portata fino a 100 metri, a seconda della profondità e della velocità della persona che cammina. Si tratta di una precisione pari, se non superiore, a quella del posizionamento GPS a punto singolo in superficie nelle aree urbane ma è ancora lontano da un livello pratico. Le persone hanno bisogno di una precisione di un metro, e la chiave per questo è la sincronizzazione temporale».
I ricercatori hanno detto che l’utilizzo di MuWNS in un ambiente interno o sotterraneo, potrebbe ottenere una maggiore precisione rispetto alle tecnologie di identificazione a radiofrequenza (RFID) e Zigbee, e una portata molto più ampia, ma di avere una precisione molto inferiore rispetto alla navigazione lidar e acustica (vedi schema dati in dettaglio).
Il miglioramento di questo sistema per consentire una navigazione accurata in tempo reale dipende da tempo e denaro. Idealmente il team di ricercatori vuole utilizzare orologi atomici in scala di chip (CSAC). Hiroyuki K.M. Tanaka ha affermato:
«I CSAC sono già disponibili in commercio e sono due ordini di grandezza migliori rispetto agli orologi al quarzo che usiamo attualmente, ma al momento per noi sono troppo costosi per essere utilizzati. Prevedo che diventeranno molto più economici man mano che aumenterà la domanda globale di CSAC per i cellulari».
Il Sistema di navigazione wireless muometrico (MuWNS) potrebbe un giorno essere utilizzato per guidare robot che lavorano sott’acqua o guidare veicoli autonomi sottoterra. È opportuno sottolineare che a parte l’orologio atomico, tutti gli altri componenti elettronici di MuWNS possono essere miniaturizzati, quindi il team di ricercatori spera che alla fine sarà possibile inserirlo in dispositivi portatili, come il cellulare: in situazioni di emergenza come il crollo di un edificio o di una miniera, ciò potrebbe essere un futuro punto di svolta per le squadre di ricerca e soccorso.
