Wissenschaftler entwickeln ein globales Positionierungssystem, das mithilfe starker kosmischer Strahlung unterirdische Bewegungen verfolgen kann.
Illustration der kosmischen Strahlung, die aus dem Weltraum auf die Erde trifft. Foto: Shutterstock
Kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen Teilchen, die aus dem Weltraum stammen, beispielsweise von der Sonne, entfernten Galaxien, Supernovas und anderen Himmelskörpern. Obwohl der Mensch die kosmische Strahlung weder direkt sehen noch spüren kann, regnet sie ständig aus dem Weltraum auf die Erde. Tatsächlich sind sie so häufig, dass Wissenschaftler schätzen, dass jede Minute ein kosmischer Strahl einen Quadratzentimeter der Erdoberfläche trifft.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hiroyuki Tanaka von der Universität Tokio nutzte kosmische Strahlung, um ein GPS-System zu entwickeln, mit dem sich Bewegungen unter der Erde verfolgen lassen, berichtete Interesting Engineering am 18. Juni. Neue Forschungsergebnisse in der Zeitschrift iScience veröffentlicht.
Beim Eintritt in die Erdatmosphäre kollidieren kosmische Strahlen mit Molekülen und Atomen in der Luft und erzeugen sekundäre Teilchen, sogenannte Myonen. Myonen sind fundamentale subatomare Teilchen, die den Elektronen ähneln, aber 207-mal schwerer sind. Myonen können Feststoffe durchdringen; der Grad der Durchdringung hängt von der Dichte des Objekts ab. Beispielsweise absorbieren Steine und Gebäude aufgrund ihrer hohen Dichte viele Myonen.
GPS hingegen basiert auf herkömmlichen Radiowellen, die in größeren Höhen oft schwächer sind und zu Streuung neigen. Dies macht es sehr schwierig, damit unterirdische Bewegungen zu erkennen.
Tanaka und seine Kollegen nutzten die Eigenschaften der kosmischen Strahlung, um schwer zugängliche Orte wie Vulkane, Kernreaktorkerne und Pyramiden zu kartieren. Sie entwickelten ein neues drahtloses Ortungssystem mit Myonen namens MuWNS. Das System umfasst Referenzdetektoren an der Oberfläche und einen unterirdischen Empfängerdetektor zur Erkennung der Myonenbahn. Durch die Analyse des Zeitpunkts und der Richtung der Myonen bestimmt MuWNS die relative Position des unterirdischen Empfängerdetektors im Verhältnis zum Referenzdetektor an der Oberfläche.
Alle gesammelten Daten werden dann dabei helfen, die Wege der Myonen zu rekonstruieren, um ein Modell oder eine Karte des unterirdischen Bereichs zu erstellen. Die Karten können wertvolle Informationen liefern, etwa über die Zusammensetzung und Dichte der Materialien, die die Myonen durchdringen, und ermöglichen es Experten, unterirdische Strukturen und geografische Merkmale zu visualisieren.
Das Team testete das neue MuWNS-System, indem es einen Empfangsroboter in einem Keller und vier Referenzdetektoren im sechsten Stock eines Gebäudes platzierte. Anschließend gelang es ihnen, die Flugbahn des Tunnelbohrers zu rekonstruieren, indem sie die von den Detektoren aufgefangenen kosmischen Strahlen untersuchten.
Ein Expertenteam hat das weltweit erste auf kosmischer Strahlung basierende globale Positionierungssystem vorgeführt, das künftige Such- und Rettungsmissionen sowie Vulkanüberwachungsoperationen unterstützen könnte. Als nächstes planen sie, MuWNS so zu verbessern, dass es in Smartphones integriert werden kann.
Thu Thao (laut Interesting Engineering )
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