Intr-un subsol in care telefonul nu mai poate stabili corect pozitia prin GPS, cercetatorii japonezi au reusit sa urmareasca traseul unei persoane folosind particule care ajung in mod natural pe Pamant din atmosfera. Este vorba despre muoni, particule subatomice generate in urma interactiunii razelor cosmice cu atmosfera, care pot traversa roca, beton si chiar apa. Pornind de la aceasta proprietate, o echipa de la Universitatea din Tokyo, coordonata de profesorul Hiroyuki Tanaka, testeaza o tehnologie de navigatie care ar putea completa GPS-ul in locurile in care semnalul satelitilor nu poate ajunge.
Sistemul se numeste Wireless Muometric Navigation System, prescurtat MuWNS. Desi se afla inca intr-o etapa experimentala si are limite importante de precizie, tehnologia deschide posibilitatea navigarii in subteran, in tuneluri, sub apa sau in interiorul unor constructii masive.
De ce GPS-ul isi pierde semnalul
GPS-ul a devenit atat de prezent in viata de zi cu zi incat este usor sa uitam cat de dependent este de o conditie esentiala: dispozitivul trebuie sa poata receptiona semnalele radio transmise de sateliti.
Pentru stabilirea precisa a pozitiei sunt necesare, in mod obisnuit, semnale de la cel putin patru sateliti. La suprafata, in conditii favorabile, sistemul functioneaza foarte bine.
Situatia se schimba atunci cand intre dispozitiv si sateliti apar obstacole importante. Peretii grosi, rocile si apa pot slabi sau bloca undele radio. In interiorul unor cladiri sau in zone urbane foarte dense, precizia poate scadea, iar in subteran ori sub apa semnalul poate deveni indisponibil.
Exista si problema interferentelor intentionate. Sistemele de navigatie prin satelit pot fi afectate prin bruiaj sau prin transmiterea unor semnale false, tehnica denumita „spoofing”.
Cercetatorii japonezi au pornit de la ideea folosirii unui fenomen natural care nu are aceleasi limitari.
Muonii pot trece prin beton, roca si apa
Muonii apar atunci cand razele cosmice ajung in atmosfera Pamantului si interactioneaza cu particulele din aer.
Aproximativ 10.000 de astfel de particule ajung in fiecare minut pe fiecare metru patrat de suprafata terestra.
Caracteristica de care sunt interesati cercetatorii este capacitatea lor de penetrare. Spre deosebire de undele radio folosite de GPS, muonii pot traversa cantitati importante de materie.
Ei pierd treptat energie in functie de densitatea si cantitatea materialului prin care trec, insa o parte dintre aceste particule pot traversa volume considerabile de beton sau roca.
Tocmai aceasta proprietate face posibila ideea unui sistem de pozitionare care sa functioneze dincolo de limitele GPS-ului.
Cum functioneaza navigatia cu muoni
Principiul MuWNS poate fi inteles printr-o comparatie cu GPS-ul.
In cazul sistemului conventional, satelitii se afla in pozitii cunoscute, iar dispozitivul calculeaza unde se afla folosind semnalele primite de la acestia.
In sistemul japonez, rolul punctelor de referinta este preluat de mai multe detectoare amplasate in locuri cunoscute. Un alt detector, mobil, este purtat de persoana sau dispozitivul a carui pozitie trebuie determinata.
Cercetatorii compara momentele in care aceiasi muoni sunt detectati de statiile de referinta si de detectorul mobil. Diferentele de timp permit calcularea pozitiei.
Aici apare insa una dintre cele mai mari dificultati tehnice: ceasurile detectoarelor trebuie sincronizate cu o precizie foarte mare. Chiar si diferente extrem de mici pot influenta rezultatul final.
Experimentul a dus sistemul intr-un subsol
Pentru a vedea daca versiunea wireless a MuWNS poate functiona intr-un mediu in care GPS-ul intampina probleme, echipa a realizat un experiment intr-o cladire.
Patru statii de referinta au fost instalate la etajul al saselea. Ulterior, un membru al echipei a coborat in subsol avand asupra sa un detector portabil de muoni si a mers de-a lungul mai multor coridoare.
Statiile aflate la etaj si dispozitivul mobil au inregistrat particulele, iar informatiile obtinute au fost utilizate pentru reconstruirea traseului parcurs in subsol.
Experimentul a aratat ca metoda poate fi folosita pentru navigatie chiar si atunci cand intre punctele de referinta si utilizator exista structuri solide.
Cercetarea publicata in jurnalul iScience reprezinta o demonstratie experimentala a unui sistem wireless de navigatie bazat pe muoni.
Precizia este inca departe de cea a GPS-ului
Rezultatele sunt promitatoare, insa tehnologia nu este pregatita sa inlocuiasca GPS-ul.
In testele efectuate, precizia localizarii a variat intre aproximativ 2 si 25 de metri. Sistemul a functionat pe distante de pana la aproximativ 100 de metri.
Pentru numeroase utilizari cotidiene, o asemenea marja de eroare este inca prea mare. Sistemul trebuie privit in primul rand prin prisma mediilor in care alternativa ar fi absenta semnalului GPS.
Una dintre provocarile principale ramane sincronizarea ceasurilor. Calcularea pozitiei depinde de masurarea unor diferente extrem de mici intre momentele in care particulele sunt detectate in puncte diferite.
Cercetatorii considera ca imbunatatirea preciziei si stabilitatii acestor ceasuri ar putea creste considerabil performantele tehnologiei.
Unde ar putea deveni utila alternativa la GPS
Posibilele aplicatii sunt legate in special de locurile greu accesibile semnalelor radio.
In operatiunile de cautare si salvare desfasurate in subteran, de exemplu, stabilirea pozitiei unei persoane sau a unui echipament poate fi dificila tocmai din cauza lipsei GPS-ului.
O alta directie este navigatia robotilor si a vehiculelor autonome prin tuneluri, mine sau alte spatii inchise. In asemenea medii, un sistem care nu depinde de receptionarea semnalelor satelitilor ar putea avea o utilitate importanta.
Cercetatorii au in vedere si explorarea mediilor subacvatice, precum si monitorizarea unor structuri sau fenomene geologice.
MuWNS nu trebuie vazut, cel putin in stadiul actual, drept tehnologia care va elimina GPS-ul. Sistemul prin satelit ramane mult mai potrivit pentru numeroase situatii obisnuite si ofera performante pe care tehnologia bazata pe muoni nu le-a atins inca.
Directia de cercetare este interesanta tocmai pentru scenariile in care GPS-ul inceteaza sa mai fie o solutie. Daca problemele legate de precizie, sincronizare si utilizare practica vor putea fi depasite, particulele generate de razele cosmice ar putea deveni baza unei forme de navigatie pentru locuri in care semnalele venite din spatiu nu pot patrunde.
