GPS ist eine Gruppe von 31 Satelliten, die ständig Funksignale aus einer Höhe von etwa 12.500 Meilen (20.116,8 km) über der Erdoberfläche aussenden. Die Satellitensignale können von festen Oberflächen reflektiert werden, sodass das Navigationssystem nicht in der Lage ist, die Standorte von GPS-Empfängern in Gebäuden, unter der Erde und unter Wasser genau zu bestimmen. Forscher haben nun ein neuartiges Navigationssystem entwickelt, bei dem die Empfänger Myonen aufspüren, subatomare Teilchen, die bei Kollisionen zwischen kosmischer Strahlung und Teilchen in der Erdatmosphäre entstehen.
Ein neues Navigationssystem, das subatomare Teilchen aufspürt, die ständig die Erde bombardieren, könnte uns helfen, uns in Gebäuden, unter der Erde und unter Wasser zurechtzufinden – überall dort, wo GPS versagt.
»Mithilfe von Myonen haben wir eine neue Art von GPS entwickelt, das unter der Erde, in Gebäuden und unter Wasser funktioniert.«
HIROYUKI TANAKA
GPS hat zwar den Landverkehr revolutioniert, jedoch können Satellitensignale nur von festen Oberflächen reflektiert werden. Ebenso könnten GPS-Signale gestört oder gefälscht werden, beispielsweise von Militärs und Cyberkriminellen, die das GPS-System dazu zu bringen, ungenaue Informationen anzuzeigen.
Forscher an der Universität Tokio haben jetzt ein neuartiges Navigationssystem entwickelt, bei dem die Empfänger anstelle von Satellitensignalen Myonen – subatomare Teilchen, die bei Kollisionen zwischen kosmischen Strahlen und Teilchen in der Erdatmosphäre entstehen – erkennen.
»Die Myonen der kosmischen Strahlung fallen gleichmäßig auf die Erde und bewegen sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit, unabhängig von der Materie, die sie durchqueren, und durchdringen sogar kilometerlanges Gestein«, sagte der Forscher Hiroyuki Tanaka. »Durch den Einsatz von Myonen haben wir eine neue Art von GPS entwickelt, das wir muometric positioning system (muPS) nennen und das unter der Erde, in Gebäuden und unter Wasser funktioniert«, so Tanaka weiter.
Das muPS-System erfordert einen Empfänger und mehrere darüber angeordnete »Referenzdetektoren«. Anhand der Zeit, die Myonen benötigen, um einen Referenzdetektor zu durchqueren und zum Empfänger zu gelangen, lässt sich die Entfernung zwischen den beiden Detektoren bestimmen. Der Standort des Empfängers kann dann anhand des Abstands zwischen ihm und mehreren Referenzdetektoren trianguliert werden.
Die erste Version des 2020 vorgestellten Navigationssystems des UTokyo-Teams sollte Veränderungen des Meeresbodens überwachen. Mithilfe von Computersimulationen konnten sie zeigen, dass es möglich war, die Koordinaten eines Unterwasserempfängers zu bestimmen. Der Empfänger musste allerdings über ein Kabel mit einer Überwasserstation verbunden sein, was seine Bewegungsfreiheit einschränkte.
In ihrer jüngsten Studie, die in der Fachzeitschrift iScience veröffentlicht wurde, demonstrierte das Team eine drahtlose Version der Technologie, die sie »Muometric Wireless Navigation System« (MuWNS) nennen.
Diesmal platzierten sie ihre Referenzdetektoren im sechsten Stock eines Gebäudes. Eine Person, die einen Empfänger in der Hand hielt, ging dann die Gänge des Untergeschosses entlang, und anhand der Messungen der Referenzdetektoren und des Empfängers konnten die Wissenschaftler ihren Weg nachvollziehen.
Das kalte Wasser: Das neue Navigationssystem funktionierte nicht in Echtzeit, und es gibt noch viel Spielraum für Verbesserungen in Bezug auf die Genauigkeit.
»Die derzeitige Genauigkeit von MuWNS liegt zwischen 2 und 25 Metern, mit einer Reichweite von bis zu 100 Metern, abhängig von der Tiefe und der Geschwindigkeit der Person«, so Tanaka. »Das ist noch weit von der Praxis entfernt. Die Menschen benötigen eine Genauigkeit von einem Meter.«
Ein Blick in die Zukunft: Tanaka glaubt, dass die Integration von Chip scale-atomic clock (CSAC) in MuWNS Echtzeitmessungen mit einer Genauigkeit von einem Meter ermöglichen wird, aber die Technologie ist derzeit nicht einmal für sein Team erreichbar.»”CSACs sind bereits kommerziell erhältlich und um zwei Größenordnungen besser als die Quarzuhren, die wir derzeit verwenden«, erklärte er. »Derzeit sind sie für uns noch zu teuer, aber ich gehe davon aus, dass sie viel billiger werden, wenn die weltweite Nachfrage nach CSACs für Mobiltelefone steigt.
Wenn sich CSACs in Handys und anderen technischen Geräten durchsetzen, können die anderen für MuWNS benötigten Komponenten bereits so klein gemacht werden, dass sie in die Geräte passen. Das bedeutet, dass es eines Tages üblich sein könnte, einen Empfänger zum Aufspüren von Myonen mit sich zu führen, egal, wohin wir gehen.
Dies könnte nach Katastrophen, bei denen Menschen unter der Erde oder in Trümmern eingeschlossen sind, von großem Nutzen sein. Wie Tanaka gegenüber Freethink erklärte, könnten Drohnen, die mit Referenzdetektoren ausgestattet sind, das Gebiet überfliegen und es den Ersthelfern ermöglichen, die Standorte verschütteter Mobiltelefone – und der Personen, die sie bei sich tragen – mit zentimetergenauer Genauigkeit zu identifizieren.
Übersetzung, Text und Bilder: BigThing, Beitragsbild von Gerd Altmann auf Pixabay
