پرتوهای کیهانی در نقش مسیریاب‌های جدید

توجه!

برای شنیدن پادکست این محتوا، می‌توانید روی لینک زیر کلیک کنید:

https://B2n.ir/k18964

همچنین می‌توانید با سرچ کلمه "ادونتک" یا Adventech در اپلیکیشن CastBox این اپیزود و اپیزودهای دیگر این پادکست را بشنوید.

شکی نیست که تا به حال حداقل یک بار از یک نرم افزار مکان یاب روی گوشی تلفن همراه خود استفاده کرده‌اید. برای پیدا کردن راه، رفتن به مکانی خاص که نشانی آن را بلد نبودید یا مسیریابی از راه کم ترافیک‌تر استفاده کرده اید. حتی ممکن است هر روز با استفاده از یک اپ قدم شمار، میزان مسافتی را که پیاده طی میکنید را تحت نظر گرفته باشید یا ماشین مدرنی دارید که به تازگی مثلا بین سالهای 2012 تا 2023 آن را خریده‌اید و مجهز به مسیریاب خودکار و یا خودران است. شاید این امکانات به نظر شما ساده به نظر برسد، اما در تمام این حالات شما در حال استفاده از سیستم موقعیت یاب جهانی، Global System Position یا GPSهستید.

نقش فناوری GPS در زندگی مردم جهان بسیار عمیق است. آنقدر که حالا زیستن در دنیایی که در آن GPSنباشد واقعا غیر ممکن به نظر میرسد.

GPSشروع جالبی داشت. یعنی کسی برای اختراع این وسیله و دقیقا با همین هدف موقعیت یابی اقدام به اختراع آن نکرد. روند خلق GPS اینطور آغاز شد که در سال 1957 میلادی شوروی ماهواره اسپوتینگ را به فضا فرستاد. این اولین ماهواره‌ای بود که موفق شد به دور زمین بچرخد. در حین چرخش اسپوتینگ به دور زمین، این ماهواره یک سیگنال رادیویی منتشر کرد. این در حالی بود که گروهی از دانشمندان فیزیک که در دانشگاه جان هاپکینز کارهای تحقیقاتی می‌کردند، پدیده بسیار عجیبی را مشاهده کردند. فرکانس سیگنال های رادیویی ارسال شده توسط اسپوتنیک با نزدیک شدن به ماهوارههای این مرکز تحقیقاتی افزایش پیدا میکرد و با دور شدن از آن کاهش می‌یافت.

این تغییرات فرکانس سیگنالی در علم فیزیک به عنوان اثر "داپلر"شناخته می شود.

استفاده از اثر داپلر اسپوتنیک به دانشمندان این امکان را داد تا از سیگنال های رادیویی برای ردیابی حرکت ماهواره از زمین استفاده کنند. دانشمندان بعداً این ایده را گسترش دادند. یعنی ایده از این نقطه شکل گرفت که اگر موقعیت یک ماهواره را بتوان از روی زمین از طریق تغییر فرکانس سیگنال رادیویی آن تعیین کرد، پس حتما موقعیت یک گیرنده روی از زمین را می توان با فاصله ای که آن وسیله از ماهواره ها دارد را تعیین کرد.

یکسال بعد، آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته (ARPA) برای توسعه یکی از طرح‌های ترانزیت ماهواره‌ای خود استفاده کرد. سپس این طرح آنقدر جدی شده و توسعه پیدا کرد که در سال 1960 میلادی اولین ماهواره مخصوص ترانزیت به آسمان پرتاب شد. اما از این ماهواره فقط برای اهداف نظامی و تجاری، مثل تعیین دقیق موقعیت جغرافیایی چیزهایی مثل کشتی‌ها، زیردریایی و موشک‌های جنگی استفاده میشد.

به هر حال تا 6 سال بعد از آن 36 ماهواره فقط با همین هدف تعیین موقعیت مکانی اجسام مهم به هوا پرتاب شد. اصلاحا به آن فانوس های دریایی در آسمان گفته میشد.

اسم این طرح تا سال 1996 ترانزیت بود. تا این که در همین سال بلاخره اسم آن را با GPS جایگزین کرد. سیستمی که در آن هر ماهواره یک ساعت مخصوص به خود را داشت و 4 ماهواره اصلی داشت که در مدت زمان کوتاهی کل مسافت زمین را طی و آن را رصد می‌کردند. سپس اطلاعات جدید به دست آمده را به بقیه ماهواره ها میفرستاند تا خود را به روز رسانی کنند.

تا سال 1983 از GPS برای اهدافی به جز اهداف نظامی و تجاری استفاده نمیشد. اما در این سال رئیس جمهور ریگان اجازه داد که از GPSبه طور رسمی برای ردیابی هواپیماهای غیر نظامی آمریکا هم استفاده بشود.

ورود GPSبه زندگی روزمره مردم عادی هم از سال 1990 میلادی آغاز شد. این سالی بود که اولین گوشی تلفن همراه مجهز به GPS وارد چرخه تولید شد و بلافاصله اولین خودروی GPS دار هم به جهان معرفی شد.

در سال 2000، دولت ایلات متحده آمریکا طرح هایی را برای اضافه کردن سه سیگنال GPSاضافی برای استفاده غیر نظامی تصویب کرد. مهمتر از آن، دولت ایالات متحده به برنامه «در دسترس بودن انتخابی» پایان داد که دقت قابل دستیابی توسط کاربران غیرنظامی GPS را کاهش داد. در نتیجه این تصمیم، سیگنال‌های GPS بلافاصله 10 برابر برای غیرنظامیان یک شبه دقیق‌تر شدند.

این همان سالی بود که دولت وقت ایالات متحده آمریکا تصمیم گرفت سیستم GPSرا برای ارائه خدمات بهتر به نظامیان و غیر نظامیان توسعه داده و آن را مدرن کند و این کار را با ارسال مداوم ماهواره‌های مختلف تقویت کننده سیگنال انجام داد. دولت آمریکا قول داد که تا پایان سال 2023 میلادی حداقل 6 ماهواره تقویت کننده سیگنال دیگر به فضا پرتاب کند.

اما این همه پرداختن و هزینه کردن برای GPS و دادن خدمات ردیابی و مسیریابی به کل جهان، چه مزیتی دارد؟ بدون تردید صرفه اقتصادی. فارغ از این که از GPS برای دیدن روند تحولات آب و هوایی، تلاش برای پیش بینی زلزله، زمان وقوع آتشفشان، مسائل امنیتی و چیزهایی از این دست استفاده میشود، این تکنولوژی تا کنون چیزی در حدود 1.4 تریلون دلار برای دولت آمریکا سود مالی داشته است. قطعا این دو دلیل به اندازه کافی توجیه میکنند که چرا دولت آمریکا روی GPS سرمایه گذاری کرده و حالا در تلاش است که از پرتوهای کیهانی برای ساخت نوعی GPSجدید، بهره ببرد.

حرف زدن درباره هرچیزی که در کهکشان است، برای اغلب ما همیشه جالب توجه است. چون کهکشان فضایی است که برای بیشتر مردم جهان، یک محیط هرگز دیده نشده و غیرقابل دسترسی است. فقط باید فضا نورد باشیم تا کمی از این فاصله تعجب آور و حیرت انگیز دورشویم تا بتوانیم بعضی از چیزها را از نزدیک تر لمس کنیم. وگرنه باید از همین فاصله چند صد سال نوری همه چیز را تماشا کنیم. برای همین است که به بند کشیده شدن هرچیزی از این فضا برای ما جذاب و جالب توجه است. خیلی هیجان انگیز است اگر بدانیم که همین ردیابی که در گوشی تلفن همراه خود از آن استفاده می‌کنیم از یک پرتو کیهانی اطلاعات میگیرد. یعنی علم به نقطه ای رسیده است که بتوان پرتوکیهانی را به عنوان ابزاری برای مسیریابی در گوشی تلفن همراه حتی به کار گرفت.

اما چطور؟

فرکانس سیگنال‌هایی که از ماهوارههای دورتادور زمین رها با هدف رسیدن به گیرنده ها رها می‌شوند، اگر در مسیر خود با اجسام سخت مثل سنگ و کوه یا حتی آب دریا برخورد کنند، دچار آسیب و خرابی می‌شوند. در واقع یکی از اصلی ترین اشکالات GPSاین است که در مسیر سیگنال های رها شده آن نباید هیچ چیزی باشد تا سالم و بدون اختلال به مقصد برسد. با وجود انواع تقویت کننده‌ای که در مسیر گیرنده‌ها وجود دارد، بازهم این سیگنال ها تا یک مسیر مشخص را میتوانند بدون اشکال طی کنند و بالاخره در اثر برخود با اجسام به تدریج آسیب دیده و از بین میروند.

همین موضوع دانشمندان را برآن داشت تا به فکر پیدا کردن چیزی باشند که مثل سیگنال، بتواند مسیری را با سرعت زیاد طی کند و هم زمان کمتر هم دچار آسیب شود. این چیز همان ذرات پرتوهای کیهانی بودند که همیشه با جو زمین برخورد میکنند و بعد از متلاشی شدن هم میتوانند میلیون ها کیلومتر راه را طی کنند تا حتی به اعماق زمین و دریا برسند.

ذراتی که از آن ها حرف میزنیم، میون نام دارند.

میون چیست؟

میون یکی از ذرات بنیادی است. ذرات بنیادی که اسم دیگه اشون ذرات ابتدایی هست ذراتی هستند که ساختار داخلی آن ها هیچ پیش ساختاری ندارد. یعنی خودشان از چیز دیگری تشکیل نشده اند. مثلا اتم خودش از الکترون، پروتون و نوترون ساخته شده. اما خود الکترون یک ذره بنیادی یا ابتدایی هست و دیگه خودش از چیز دیگه ای تشکیل نشده.

میون ها در واقع در اثر برخورد پرتوهای کیهانی با اتمسفر زمین تشکیل میشن.

میون از نظر ابعاد و اندازه شبیه به الکترون هست. اما از نظر وزن 207 بار از یک الکترون سنگین تره. مثل تفاوت بین یک فرد بالغ با یک فیل کوچیک. تفاوت زیادی از نظر ظاهری دارند اما اصلی ترین فرقشون، وزنشون هست. عمر میون هم 2.2 میکروثانیه است. بعد از این زمان دچار واپاشی و تجزیه میشن.

با این وجود چون سرعت میون ها کمی کمتر از سرعت نور هست، میتوانند قبل از واپاشی مسافت خیلی زیادی را طی کنند. نکته جالب در مورد میون ها این است که میون‌هایی که در اتمسفر زمین تشکیل می‌‌‌شوند، به‌طور پیوسته هر نقطه از سطح زمین را بمباران می‌کنند این هر نقطه که میگیم یعنی اینچ به اینچ زمین رو. و می‌توانند تقریباً از هر ماده‌ای عبور کنند.

ابعاد و تعداد میون هایی که هر لحظه در سطح زمین فرود میان خیلی مهمه. چون میتونه نشون بده که GPSهای جدید که قراره با این پرتوهای کیهانی موقعیت اجسام رو محاسبه بکنند چقدر میتونن قدرتمند و دقیق باشن. تقریباً در هر دقیقه یک میون به یک سانتی متر مربع از زمین برخورد می کند. این شدت بمباران زمین با میون ها در ارتفاعات از این مقدار خیلی بیشتره. همونطور که گفتیم میون ها از هر جسمی هم عبور میکنند.

هر میون قبل از این که متوقف بشه میتونه تا مسافت زیادی در پوسته‌ی زمین یعنی درحدود ۲ کیلومتر در هسته زمین نفوذ کنه. معمولا بعد از طی این مسافت 2 کیلومتری هست که میون ها کم کم متوقف میشوند.

چندین ساله که میون ها شناخته شدند و ازشون در کارهای مختلفی استفاده میشه. به طور مثال همین الان از میون های کیهانی برای دیدن اثرات مخرب نیروگاه های هسته ای استفاده میشود. یا دانشمندان از میون ها برای دیدن فضای داخلی و متراکم اهرام مصر استفاده میکنند.

میون ذراتی هستند که اثر برخورد پرتوهای کیهانی با ذرات جو زمین ایجاد می‌شوند. وقتی این ذرات کیهانی توان عبور از جو زمین را دارند، یعنی می‌توانند بدون تاثیر از آب و سنگ هم عبور کنند.

سیستم موقعیت یابی جدید، که سیستم ناوبری بی سیم موومتریک (MuWNS) نام دارد، ذرات شبح مانند و فوق سریع زیراتمی به نام میون را اسکن می کند تا موقعیت گیرنده ای را که در اعماق زمین مدفون شده است، پیدا کنند.

دانشمندان محصولات جانبی پرتوهای کیهانی را برای ایجاد اولین سیستم 'GPS' در جهان که در زیر زمین کار می کند، به کار گرفته اند - و می توان از آن برای نظارت بر آتشفشان ها و کمک در ماموریت های جستجو و نجات آتی استفاده کرد.

سیستم موقعیت یاب جدید که سیستم ناوبری بی‌سیم موومتریک (MuWNS) نام دارد، ذرات شبح‌آلود و فوق‌سریع زیراتمی به نام میون را اسکن می‌کند تا موقعیت گیرنده‌ای که در اعماق زمین مدفون شده است را مثلث کند.

بر خلاف سیگنال‌های GPS، از آنجایی که میون‌های پرتو کیهانی از نظر مکانی-زمانی پراکنده هستند، این میون‌ها به‌صورت پراکنده به آشکارسازهای مرجع و آشکارساز گیرنده می‌رسند، یعنی به طور همزمان به آشکارسازهای مرجع و آشکارساز گیرنده نمی‌رسند.

علاوه بر این، محققان می گویند که این فناوری می تواند کوچک شود تا در دستگاه هایی مانند گوشی های هوشمند قرار گیرد. آنها یافته های خود را در 15 ژوئن در مجله iScienceمنتشر کردند.

دانشمندی که روی این طرح کار میکند، پروفسور تاناکا نام دارد. او و تیمش توانسته اند یک نسخه بی سیم از این فناوری را توسعه بدهند که سیستم ناوبری بی سیم موومتریک (MuWNS) نام دارد.

از نظر شیوه عملکرد، این دستگاه بسیار زیاد به GPS شباهت دارد. به این صورت که در اولین آزمایش واقعی MuWNS، محققان چهار آشکارساز مرجع را در طبقه ششم ساختمان قرار دادند، در حالی که شخصی با یک آشکارساز یا Detector گیرنده در طبقه زیرزمینی همان ساختمان راه می‌رفت. درست مشابه نحوه عملکرد GPS، این سیستم با استفاده از زمان عبور میون ها بین آشکارسازهای مرجع و آشکارساز گیرنده در زیرزمین و همچنین زاویه آنها، مکان فرد را در زیرزمین محاسبه کرد.

این تیم متوجه شد که MuWNS می تواند فرد را در زیرزمین با دقتی بین 2 تا 25 متر ردیابی کند که با GPS قابل مقایسه است. تاناکا می‌گوید که این کافی است تا این سیستم برای ارائه مسیریابی به وسایل نقلیه در تونل‌ها یا شاید یک روز برای یافتن بازماندگان زیر آوار پس از زلزله یا طوفان مفید باشد.

استفان بلوندل از دانشگاه آکسفورد می‌گوید: «دیدن میون‌هایی که در یک سیستم موقعیت‌یابی نمونه اولیه استفاده می‌شوند، جالب است. این تکنیک جدید می تواند در محیط های تخصصی خاصی کاربرد پیدا کند.

چند سالی هست که میون‌ها به صورت واقعی روی زمین آزمایش شده‌اند و از خاصیت آن‌ها به عنوان یک ردیاب یا GPS که قدرت نفوذ به اعماق زمین و زیر دریاها و اقیانوس‌ها را دارد، استفاده کند.

این یک تکنولوژی در مرحله تحقیقات نیست. بلکه کاری است که همین حالا هم انجام شده و در مراحل کاملا اجرایی است. حوالی ماه june سال 2023، GPSمبتنی بر ذرات کیهانی ایجاد و در زیر دریا آزمایش شه است.

نتایج این آزمایش بسیار امیدوار کننده بود و دانشمندان فکر می‌کنند که بتوانند از این پرتوهای کیهانی در اختیار گرفته شده برای هدایت روبات هایی که در زیر زمین فعالیت می‌کنند، استفاده کنند. مثلا وقتی آواری در جایی فرو میریزد یا وقتی در زیر دریاها سونامی رخ میدهد، طبیعتا پیدا کردن آثار حیات در زیر آوارها کار دشواری خواهد بود. در حالی که با استفاده از این پرتوهای کیهانی که در زیر دریا آزمایش خود را به خوبی پس داده اند، میتوان به این موضوع امیدوارتر شد.

منبع:

شرکت نرم افزاری یگانه

https://www.cell.com/iscience/home