Kartierung des gesamten Meeresbodens – vom Himmel aus?

Ein Freund von mir, der im Spieledesign arbeitet, zeigte mir kürzlich ein 3D-Modell der Erde, das mithilfe topografischer Daten sehr detailliert gerendert wurde genaue Satellitendaten, so dass wir wie bei einer Spritztour mit hoher Geschwindigkeit durch Schluchten und unsere jeweilige Nachbarschaft fliegen konnten Übermenschen. „Mal sehen, ob wir unter Wasser gehen können“, sagte er begeistert, als wir über den Pazifik flogen.

Wir konnten nicht. Das an Land so erstaunlich genaue Modell verfügte offenbar über keine Daten, mit denen die Unterwasserumgebung modelliert werden konnte. Es war eine unverputzte Leere unter der glasigen Wasseroberfläche, als wäre dies eine Unterwasserversion davon Die Truman Show, und wir waren am Ende der Welt angekommen.

Keiner von uns war besonders überrascht. Der Schock wäre gewesen, wenn die Ozeane hatte gerendert wurde. Woher wären diese Informationen gekommen? Und wie genau wäre es gewesen? Das hätte bedeutet, dass die Schöpfer des Modells etwas wussten, was selbst die weltweit führenden Ozeanographen nicht wissen.

Bei aller berechtigten Aufregung rund um die Erforschung des Weltraums in den 2020er Jahren (Elon Musk ist „sehr zuversichtlich„Nachdem die Menschheit bis 2026 mit einer Rakete auf den Mars geschossen sein wird“, bleiben die Ozeane unseres Planeten ein weitgehend unerforschter und unbekannter Bereich, der viel näher an unserer Heimat liegt. Wasser bedeckt rund 71 Prozent der Erdoberfläche, wobei der Anteil des Süßwassers, das wir trinken, winzige 3 Prozent ausmacht, kaum mehr als ein Rundungsfehler. Aber die überwiegende Mehrheit der Ozeane der Erde – bis zu 95 Prozent – ​​sind ein unerforschtes Rätsel.

Obwohl wir noch weit von einem Google Street View-Äquivalent für die Unterwasserwelt entfernt sind, wird ein neues Projekt durchgeführt Eine Studie von Forschern der Stanford University könnte den Weg für genau so etwas in der Zukunft ebnen – und noch viel mehr außerdem. Stellen Sie sich vor, Sie könnten mit einem Flugzeug über ein Gewässer fliegen und mit absoluter Klarheit sehen, was sich unter den Wellen verbirgt.

Es klingt unmöglich. Wie sich herausstellt, ist es wirklich sehr, sehr schwierig.

Das Problem mit Lidar, das Problem mit Sonar

„Die Abbildung von Unterwasserumgebungen aus einem luftgestützten System ist eine herausfordernde Aufgabe, die jedoch viele potenzielle Anwendungen bietet.“ Aidan James Fitzpatrick, ein Doktorand an der Fakultät für Elektrotechnik der Stanford University, sagte gegenüber Digital Trends.

Der offensichtliche Kandidat für diesen Imaging-Job ist Lidar. Lidar ist das Bounce-Laser-Technologie Am bekanntesten dafür, dass es autonomen Fahrzeugen (nicht von Tesla) dabei hilft, die Welt um sich herum wahrzunehmen. Es sendet gepulste Lichtwellen aus und misst dann, wie lange es dauert, bis sie von Objekten reflektiert werden und zum Sensor zurückkehren. Auf diese Weise kann der Sensor berechnen, wie weit der Lichtimpuls zurückgelegt hat, und daraus ein Bild der ihn umgebenden Welt erstellen. Während selbstfahrende Autos nach wie vor die bekannteste Anwendung von Lidar sind, kann es auch in anderen Kontexten als leistungsstarkes Kartierungstool eingesetzt werden. Forscher nutzten es beispielsweise im Jahr 2016, um Entdecken Sie eine lange verborgene Stadt unter dichter Laubdecke im kambodschanischen Dschungel.

Allerdings ist Lidar für diese Art der Kartierung nicht geeignet. Obwohl fortschrittliche Hochleistungs-Lidar-Systeme in extrem klarem Wasser gut funktionieren, ist ein Großteil des Ozeans – insbesondere Küstengewässer – tendenziell trüb und lichtundurchlässig. Daher, so Fitzpatrick, beruhten viele der bisher durchgeführten Unterwasseraufnahmen auf Sonarsystemen im Wasser, die Schallwellen verwenden, die sich problemlos durch trübe Gewässer ausbreiten können.

Leider gibt es auch hier einen Haken. In-Water-Sonarsysteme werden an einem langsam fahrenden Boot montiert oder von diesem gezogen. Die Bildaufnahme aus der Luft mit einem fliegenden Luftfahrzeug wäre effektiver, da damit ein viel größeres Gebiet in kürzerer Zeit abgedeckt werden könnte. Dies ist jedoch unmöglich, da Schallwellen nicht von der Luft ins Wasser und dann wieder zurück gelangen können, ohne 99,9999 Prozent ihrer Energie zu verlieren.

Was kommt zum PASS

Während Lidar- und Radarsysteme die gesamte Erdlandschaft kartiert haben (Schwerpunkt auf „Land“), wurden nur etwa 5 Prozent der globalen Gewässer Gegenstand ähnlicher Aufnahmen und Kartierung. Das ist das Äquivalent einer Weltkarte, die nur Australien zeigt und den Rest dunkel und unerforscht lässt Zeitalter der Imperien Karte.

„Unser Ziel ist es, eine Technologie vorzuschlagen, die auf einem fliegenden Fahrzeug montiert werden kann, um eine großflächige Abdeckung zu ermöglichen und gleichzeitig eine Bildgebungstechnik zu verwenden, die auch in trübem Wasser robust ist“, sagte Fitzpatrick. „Zu diesem Zweck entwickeln wir das, was wir als photoakustisches luftgestütztes Sonarsystem bezeichnen. PASS nutzt die Vorteile der Lichtausbreitung in der Luft und der Schallausbreitung im Wasser, um Unterwasserumgebungen aus der Luft abzubilden.“

PASS funktioniert folgendermaßen: Zunächst feuert ein spezielles Lasersystem einen Infrarotlichtstoß ab, der vom ersten Zentimeter Wasser absorbiert wird. Sobald die Laserabsorption erfolgt ist, dehnt sich das Wasser thermisch aus und erzeugt Schallwellen, die ins Wasser gelangen können.

„Diese Schallwellen fungieren nun als Sonarsignal im Wasser, das mithilfe des Lasers aus der Ferne erzeugt wurde“, fuhr Fitzpatrick fort. „Die Schallwellen werden von Unterwasserobjekten reflektiert und wandern zurück zur Wasseroberfläche. Ein Teil dieses Schalls – nur etwa 0,06 Prozent – ​​durchquert die Luft-Wasser-Grenzfläche und wandert nach oben in Richtung des Luftsystems. Hochempfindliche Schallempfänger oder Wandler erfassen diese Schallwellen. Die Wandler wandeln dann die Schallenergie in elektrische Signale um, die durch Bildrekonstruktionsalgorithmen weitergeleitet werden können, um ein wahrnehmbares Bild zu erzeugen.“

Die Dinge, die darunter liegen

Bisher ist PASS in Arbeit. Das Team hat hochauflösende, dreidimensionale Bildgebung in einer kontrollierten Laborumgebung demonstriert. Allerdings befindet sich dies, wie Fitzpatrick einräumte, in einem „Behälter von der Größe eines großen Aquariums“, obwohl die Technologie inzwischen „nahe dem Stadium“ ist, in dem sie über einem großen Schwimmbecken eingesetzt werden könnte.

Natürlich gibt es einen kleinen Unterschied zwischen einem großen Schwimmbad und den gesamten Ozeanen der Erde, und das erfordert erheblich mehr Arbeit. Eine große Herausforderung, die vor Tests in größeren, unkontrollierteren Umgebungen gelöst werden muss, besteht insbesondere darin, die Bildgebung durch Wasser mit turbulenten Oberflächenwellen zu bewältigen. Fitzpatrick sagte, dass dies ein Rätsel sei, aber es handele sich „sicherlich um praktikable Lösungen“, an denen das Team zum Teil bereits arbeitet.

„PASS könnte verwendet werden, um die Tiefen unbekannter Gewässer zu kartieren, biologische Umgebungen zu untersuchen, nach verlorenen Wracks zu suchen und möglicherweise noch viel mehr“, sagte er. „Ist es nicht seltsam“, fügte er hinzu, „dass wir die gesamte Erde, auf der wir leben, noch nicht erforscht haben? Vielleicht kann PASS das ändern.“

Die Kombination von Licht und Ton zur Lösung der Luft-Wasser-Grenzfläche würde das Spiel verändern. Und danach? Bringen Sie die Armee von Kartierungsdrohnen mit, um uns endlich zu zeigen, was unter der Meeresoberfläche liegt.

Ein Papier, das das PASS-Projekt beschreibt, war kürzlich in der Zeitschrift IEEE Access veröffentlicht.

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