Suunnistus sukelluksissa voi onnistua avaruudesta iskeytyvien myonien avulla, suomalaiset mukana kehittämässä laitteita - Tiede | HS.fi

Suunnistus sukelluksissa voi onnistua avaruudesta iskeytyvien myonien avulla, suomalaiset mukana kehittämässä laitteita

Myonit satavat joka hetki avaruudesta merenpintaan ja syvyyksiin. Myös muita uusia menetelmiä paikannukseen sukelluksissa on luvassa, ja yhtä on käytetty jo Marsissa.

Robotti Orpheus rakentaa merenpohjasta karttaa paikallistamista varten. Samalla tapaa kartoittaa Mars-helikopteri punaisen planeetan pintaa.

13.1. 2:00 | Päivitetty 13.1. 6:11

Ohjaat satojen metrien syvyydessä sukellusalusta. Uusi myonimetrinen paikannin kertoo, missä alus on. Suunnistuksessa avustavat kamerat ja magneettiset tunnistimet.

Suunnistaminen syvyyksissä alkeishiukkasiin kuuluvien myonien avulla on vielä kuva tulevaisuudesta. Se voi kuitenkin toteutua.

Sukellusveneiden nykyisistä navigaatiotekniikoista ei ole julkista tietoa. Todennäköisesti ne käyttävät tarkkoja lasergyroskooppeja. Niiden avulla aluksen asema voidaan laskea, kun tiedetään lähtöpiste ja aluksen nopeus.

Toinen keino on määritellä asema pohjan pinnanmuotojen mukaan suuritaajuiselle ultraäänellä. Sota-aluksessa menetelmän rajoituksena on mahdollisuus, että oma sijainti paljastuu ääniä kuuntelevalle viholliselle.

Tulevina vuosikymmeninä ihmiset oppivat suunnistamaan vedessä yhtä hyvin kuin nyt pinnalla ja ilmassa. Jotkin tekniikat ovat jo myynnissä, toiset tulossa.

Oudointa tekniikkaa eli myonimetriikkaa kehittää uudessa hankkeessa ryhmä, jossa on japanilaisia, yhdysvaltalaisia, brittiläisiä ja suomalaisiakin tutkijoita.

Rahat tulevat Yhdysvaltojen laivastolta. Sotilailla kun on pakkomielle kulkea paikantimien tekniikoiden kärjessä. Yksi kannustin syvyyspaikannukseen on arktisen alueen merkityksen kasvu.

"Kyky suunnistaa napa-alueiden vesissä on entistä tärkeämpää. Tulevina vuosikymmeninä ilmastonmuutos avaa arktiset vesiväylät.

Näin sanoo Globaalin tutkimuksen laivaston johtaja, tohtori Charles Eddy tiedotteessa. Langatonta myonimetristä paikannusta rahoittaa Yhdysvaltain laivaston tutkimusvirasto.

Satelliittien paikannus eli gps syntyi viime vuosisadalla ensiksi sotilaalliseen käyttöön. Nyt sama malli näyttää toistuvan vedenalaisessa ja maanalaisessa paikannuksessa.

Pinnan alle halutaan jotain yhtä luotettavaa ja helposti toimivaa kuin radioaallot, jotka hoitavat paikannuksen maan päällä.

Myonimetriikka toimii samalla periaatteella kuin nykyinen satelliittipaikannus. Radioaaltojen asemesta vain käytetään myoneja, jotka ovat eksoottisia alkeishiukkasia.

Myoneja syntyy kymmeniä kilometrejä päämme yläpuolella, kun avaruudesta syöksyvät kosmiset säteet iskevät yläilmakehän atomeihin. Jokaiselle neliösentille sataa keskimäärin yksi myoni minuutissa.

Myonin ominaisuudet ovat eksoottisia ja kaukana arkisesta kokemuksesta. Myoni painaa 207 kertaa enemmän kuin elektroni, mutta on silti hyvin kevyt. Se kulkee lähes valon nopeudella. Energiaa energiaa sillä on 10 000 kertaa enemmän kuin röntgensäteen fotoneilla.

Näin toimii teoriassa paikannus avaruudesta syöksyvien alkeishiukkasten myonien avulla. Piirros on Hiroyuki Tanakan tutkimuksesta.

Kuulostaa pelottavalta, mutta myoni on vaaraton. Meidän kehomme lävitse kulkee tasaiseen tahtiin myoneja, eivätkä ne häiritse solujemme toimintaa millään tavoin.

Tämä turvallisuus onkin yksi myonin etuja. Toinen on saatavuus. Luonnon oma hiukkaslähde kun tuottaa myoneja ilmaiseksi.

Myoneja on tähän mennessä hyödynnetty kuvantamiseen. Sitä sanotaan myonigrafiaksi. Myonimetriikka on syntynyt juuri myonigrafian pohjalta.

”Myonigrafiaa on käytetty muun muassa pyramidien läpivalaisuun. Kehitämme myonigrafian tekniikkaa ja myymme mittauspalveluita muun muassa kaivoksille, malminetsintäyhtiöille ja vesilaitoksille”, kertoo geologi Marko Holma, joka on suomalaisen Muon Solutions Oy:n toimitusjohtaja.

Oulun yliopistossa tutkimuksesta versonut yhtiö osallistuu suomalaisena osapuolena vedenalaisen myonimetriikan kehitystyöhön.

”Tutkimuksen aloitti Tokion yliopiston professori Hiroyuki Tanaka. Hän on myös tämän tekniikan keksijä”, Holma kertoo.

”Yrityksemme on tehnyt myonigrafiassa yhteistyötä professori Tanakan kanssa jo usean vuoden. Myonimetriassa ei kuitenkaan tehdä kuvia, joten se ei ole myonigrafiaa.”

Molemmat menetelmät kuitenkin hyödyntävät ilmakehässä syntyvien myonihiukkasten ominaisuuksia.

Tanaka havainnollistaa myonimetriikan ideaa paikannukseen veden alla yksinkertaisella piirroksella, jonka hän julkaisi tutkimuksessaan.

Se käy seuraavasti. Meren pinnalla kelluu kolme poijua, jotka paikantavat itsensä satelliiteilla.

Paikannuslaitteen vieressä ovat myonien tunnistimet. Myös pinnan alla paikantimessa on oma myonitunnistin. Tunnistimet rekisteröivät, milloin myonit saapuivat taivaalta.

Etäisyys lasketaan aikaeroista navigaattorin ja poijujen tunnistimien välillä. Pitää vain kertoa aika valon nopeudella. Vielä 500 metrin syvyydessä myonin nopeus on 0,9999999 kertaa valon nopeus.

Kun tunnetaan etäisyys kolmeen vertailupisteeseen eli poijuihin, voidaan laskea paikan koordinaatit pinnan alla.

Käytännössä on ratkaistava vielä monta ongelmaa. Japanilaiset ovat rakentaneet laboratorioon pienen myonipaikannuksen. He ovat myös mallintaneet tietokoneella paikannusta kilometrien mittakaavassa.

Kun tullaan laboratoriosta todelliseen maailmaan, törmätään moniin esteisiin. Yksi on kylmyys.

Suomalaiset tulivat tutkimukseen mukaan, koska Pohjois-Suomessa on sopiva yhdistelmä alan asiantuntemusta ja jäisiä ympäristöjä.

”Yrityksemme toimii arktisten olojen asiantuntijana, mutta osallistumme myös tuotekehitykseen. Lisäksi teemme data-analyysia ja kirjoitamme hankkeen raportteja ja julkaisuja”, kertoo Holma.

”Suomen testit on tarkoitus tehdä jään päältä. Teemme paksuun arktiseen jäähän avannon, jonka kautta veden alle saadaan myonimetrinen mittalaite. Teemme kenttäkokeita Pohjois-Suomessa vuoden 2022 aikana. Tarkempaa paikka emme ole vielä valinneet.”

Kokemus maanpäällisestä navigaatiosta on osoittanut, että paikannukseen tarvitaan useita tekniikoita. Niitä myös kehitetään navigointiin pinnan alla myonimetriikan ohella.

Perinteinen paikannus akustisesti eli ääniaalloilla on epätarkkaa. Turkulainen yhtiö UWIS hyödyntää äänen sijasta hiljaisuutta.

Pinnalla on jälleen kolme poijua, jotka paikantavat itsensä satelliittien avulla. Poijujen väli on enimmillään noin sata metriä. Pääpoiju lähettävää ultraäänen taukojen avulla paikkatietoa sukeltajille, samoin sukeltajat poijuun. Ohjaajille veneeseen poijut lähettävät viestejä wi-fi-yhteydellä.

”Viestin sisältö on itse asiassa ultraäänisten lähetysten tarkoin ajoitetuissa väleissä. Toki tähän liittyy paljon teknisiä yksityiskohtia. Sen ansiosta kuitenkin saamme järjestelmän toimimaan”, kertoo yhtiön toimitusjohtaja Pertti Arvonen.

”Paitsi että voimme paikallistaa vedenalaisia kohteita, saamme paikkatiedot ja viestit myös sukeltajille. Sukeltaja tietää siis oman sijaintinsa lisäksi muiden sukeltajien sijainnit”, Arvonen sanoo.

Sukeltajan suurin etäisyys lähimpään poijuun saa olla 500 metriä. Suurin syvyys on puolestaan noin 150 metriä. Tekniikalla voi paikantaa myös etäohjattuja vedenalaisia kulkuneuvoja. Menetelmän kaupallistaminen on jo alkanut.

”Käyttäjiä ovat alussa olleet viranomaiset, kuten pelastuslaitokset, poliisi, rajavartiosto ja laivasto. Laitteita on toimitettu viranomaisille Suomeen, Ruotsiin ja Saksaan.”

Turistien sukellukseen on laitteita myös tulossa. Turkkiin avautuu Arvosen mukaan näinä päivinä sukelluspuisto, jossa sukeltajien liikkeitä voi seurata isolta näytöltä läheisessä majakassa.

”Uusi sovellus on tiedesukellus. Meribiologit ja -arkeologit käyttävät näitä laitteita tutkimustyössä. Helsingin yliopiston tiedesukellusakatemia esimerkiksi on tilannut laitteiston”, Arvonen sanoo.

”Tiedesukellus kasvaa nopeimmin tällä hetkellä”, kertoo Arvonen. Toimitus Yhdysvaltain meren- ja ilmastontutkimuslaitokseen (NOAA) on jo lähdössä.

Nasa eli Yhdysvaltain avaruushallinto kokeilee vedenalaista suunnistusta vielä omalla tekniikallaan. Tätä paikannuskeinoa sanotaan odometriaksi. Se tulee sanasta odometri eli matkamittari.

Laitteet mittaavat tarkasti suunnan ja matkan. Kun tiedot yhdistetään kameroiden keräämään tietoon, data mahdollistaa suunnistamisen, ilman jatkuvaa yhteyttä ulkoisiin majakoihin.

Tekniikkaa on käytetty Marsissa Perseverance-mönkijässä ja Ingenuity-helikopterissa.

Nyt samoja tekniikoita testataan tutkimusrobotti Orpheuksella veden alla, ensin matalissa vesissä Yhdysvaltojen itärannikolla. Lopputavoitte on paikantaa yli 6 000 metrin syvyydessä meren pohjalla.

Maanpäällisten paikannuskeinojen yhdistämistä on tutkittu hankkeessa ASPN eli All-Source Positioninig and Navigation.

Tavoitte on, että laitteet vaihtavat lennossa paikannustavasta toiseen. Kiinalaisen Harbinin teknillisen yliopiston tutkijat ovat jo kehittäneet vedenalaista ASPN-teknologiaa.

Artikkeliin liittyviä aiheita

Osaston uusimmat

Luitko jo nämä?

Osaston luetuimmat