A teljes óceánfenék feltérképezése – az égből?

Egy barátom, aki játéktervezéssel foglalkozik, nemrég megmutatta nekem a Föld 3D-s modelljét, amelyet nagyon részletesen, topográfiai módszerrel rendereltek le. pontos műholdadatokat, hogy nagy sebességgel száguldhassunk át kanyonokon és környékeinken, mint egy pár tréfás. Supermen. – Lássuk, mehetünk-e a víz alá – mondta izgatottan, miközben átrepültünk a Csendes-óceán felett.

Nem tudtuk. A szárazföldön olyan lenyűgözően pontos modellnek látszólag nulla adata volt a tenger alatti környezet modellezéséhez. Rendereletlen űr volt a víz üveges felszíne alatt, mintha ez valami szubavízi változata volna. A Truman Show, és elérkeztünk a világ végére.

Egyikünk sem lepődött meg különösebben. A sokk az lett volna, ha az óceánok volt előadták. Honnan származott volna ez az információ? És mennyire lett volna pontos? Ez azt jelentette volna, hogy a modell alkotói tudtak valamit, amit még a világ legkiválóbb oceanográfusai sem.

A 2020-as években az űrkutatás körüli jogos izgalom mellett (Elon Musknagyon magabiztos”, amely szerint az emberek 2026-ra a Mars felé száguldanak), bolygónk óceánjai továbbra is nagyrészt feltérképezetlen és ismeretlen terület marad, amely sokkal közelebb van az otthonunkhoz. Víz borítja a Föld felszínének körülbelül 71 százalékát, az édesvízből, amit megiszunk, az elenyésző 3 százalék, ami alig több, mint kerekítési hiba. De a Föld óceánjainak túlnyomó többsége – akár 95 százaléka – feltáratlan rejtély.

Noha még mindig nagyon messze vagyunk a tenger alatti világ számára megfelelő Google Street View-tól, egy új projektet hajtanak végre a Stanford Egyetem kutatói által kidolgozott kutatások egyengethetik az utat egy ilyen dolog előtt a jövőben – és még sok minden más előtt kívül. Képzelje el, hogy képes repülni egy repülőgéppel egy vízszakasz felett, és teljes tisztasággal látja, mi rejtőzik a hullámok alatt.

Lehetetlennek hangzik. Mint kiderült, ez csak nagyon-nagyon nehéz.

A probléma a lidarral, a baj a szonárral

„A víz alatti környezet levegőben lévő rendszerrel történő leképezése kihívást jelentő feladat, de számos lehetséges alkalmazási területet rejt magában” Aidan James Fitzpatrick, a Stanford Egyetem villamosmérnöki tanszékének végzős hallgatója elmondta a Digital Trends-nek.

A képalkotó munka nyilvánvaló jelöltje a lidar. Lidar az visszapattanó lézeres technológia leghíresebb arról, hogy segíti a (nem Tesla) autonóm járműveket a körülöttük lévő világ észlelésében. Úgy működik, hogy impulzusos fényhullámokat bocsát ki, majd megméri, mennyi idő alatt verődnek vissza a tárgyakról, és visszatérnek az érzékelőhöz. Ez lehetővé teszi az érzékelő számára, hogy kiszámítsa, mekkora utat tett meg a fényimpulzus, és ennek eredményeként képet alkothat a körülötte lévő világról. Míg az önvezető autók továbbra is a lidar legismertebb felhasználási területei, más kontextusban is hatékony térképészeti eszközként használható. Például a kutatók 2016-ban használták felfedez egy rég elveszett rejtett várost sűrű lombtakaró alatt a kambodzsai dzsungelben.

A Lidar azonban nem megfelelő az ilyen típusú leképezéshez. Bár a fejlett, nagy teljesítményű lidar rendszerek jól teljesítenek rendkívül tiszta vizeken, az óceán nagy része – különösen a part menti vizek – általában zavaros és fényt átlátszó. Ennek eredményeként Fitzpatrick elmondta, hogy az eddig elvégzett víz alatti képalkotások nagy része vízben elhelyezett szonárrendszereken alapul, amelyek olyan hanghullámokat használnak, amelyek könnyedén át tudnak terjedni a zavaros vizeken.

Sajnos itt is van egy fogás. A vízben elhelyezett szonárrendszereket lassan mozgó csónakra szerelik fel, vagy vonják vele. A levegőből történő képalkotás repülő fedélzeti járművel hatékonyabb lenne, mivel sokkal nagyobb területet lehetne lefedni rövidebb idő alatt. De ez lehetetlen, mivel a hanghullámok nem tudnak átjutni a levegőből a vízbe, majd vissza anélkül, hogy energiájuk 99,9999 százalékát elveszítenék.

Mi jön a PASS-hoz

Következésképpen, míg a lidar és radarrendszerek feltérképezték a teljes Föld tájat (hangsúly a „szárazföld”), a globális vizeknek csak körülbelül 5 százalékán készültek hasonló képalkotások és feltérképezése. Ez egy olyan világtérképnek felel meg, amely csak Ausztráliát mutatja, a többi részét pedig sötétben hagyja, mint valami felfedezetlen Birodalmak kora térkép.

„Célunk egy olyan technológiát javasolni, amely repülő járműre szerelhető, hogy nagyméretű lefedettséget biztosítson, miközben olyan képalkotó technikát használunk, amely zavaros vízben is robusztus” – mondta Fitzpatrick. „Ehhez az általunk megalkotott fotoakusztikus légszonárrendszert fejlesztjük. A PASS kihasználja a fény levegőben és a vízben történő hangterjedés előnyeit a víz alatti környezetek levegőben lévő rendszerből történő leképezéséhez.”

A PASS a következőképpen működik: Először is, egy speciális egyedi lézerrendszer olyan infravörös fényt bocsát ki, amelyet az első centiméternyi víz elnyel. A lézerabszorpció megtörténte után a víz termikusan kitágul, hanghullámokat hozva létre, amelyek képesek bejutni a vízbe.

„Ezek a hanghullámok most vízben lévõ szonárjelként mûködnek, amelyet a lézerrel távolról generáltak” – folytatta Fitzpatrick. „A hanghullámok visszaverődnek a víz alatti tárgyakról, és visszafelé haladnak a víz felszíne felé. Ennek a hangnak egy része – csak körülbelül 0,06 százaléka – áthalad a levegő-víz határfelületen, és felfelé halad a légi rendszer felé. A nagy érzékenységű hangvevők vagy jelátalakítók rögzítik ezeket a hanghullámokat. A jelátalakítók [majd] a hangenergiát elektromos jelekké alakítják, amelyek képrekonstrukciós algoritmusokon keresztül érzékelhető képet alkotnak.

Az alatta lévő dolgok

A PASS egyelőre folyamatban van. A csapat nagy felbontású, háromdimenziós képalkotást mutatott be ellenőrzött laboratóriumi környezetben. Fitzpatrick azonban elismerte, hogy ez egy „nagy akvárium méretű konténerben” van, bár a technológia már „közel van ahhoz a szakaszhoz”, ahol egy nagy úszómedence felett is bevethető.

Természetesen van némi különbség egy nagy úszómedence és a Föld óceánjai között, és ez jóval több munkát igényel. A nagyobb, ellenőrizetlenebb környezetben történő tesztelés előtt meg kell oldani a nagy kihívást az, hogy hogyan lehet megbirkózni a turbulens felszíni hullámokkal járó képalkotással a vízben. Fitzpatrick azt mondta, hogy ez egy fejvakarás, de „biztosan vannak megvalósítható megoldásai”, amelyek közül néhányon már dolgozik a csapat.

"A PASS felhasználható feltérképezetlen vizek mélységének feltérképezésére, biológiai környezet felmérésére, elveszett roncsok felkutatására, és potenciálisan még sok másra is" - mondta. „Nem furcsa – tette hozzá –, hogy még fel kell fedeznünk a Föld egészét, amelyen élünk? Talán a PASS megváltoztathatja ezt.”

A fény és a hang kombinálása a levegő-víz interfész megoldása érdekében játékváltást jelentene. És azután? Hozd be a térképező drónok seregét, hogy végre megmutassuk, mi rejlik az óceán felszíne alatt.

A PASS projektet leíró papír az volt nemrég az IEEE Access folyóiratban jelent meg.

Szerkesztői ajánlások

• Az okos, új haptikus mellénynek köszönhetően a mentőkutyák mérföldekről is átvehetik a parancsokat