Mappare l'intero fondale oceanico: dal cielo?

Un mio amico che lavora nel campo della progettazione di giochi mi ha recentemente mostrato un modello 3D della Terra, reso in grande dettaglio utilizzando topograficamente dati satellitari accurati, in modo da poter volare attraverso i canyon e i nostri rispettivi quartieri ad alta velocità come una coppia di passeggeri Super uomini. "Vediamo se riusciamo ad andare sott'acqua", ha detto, euforico, mentre sorvolavamo il Pacifico.

Non potremmo. Il modello, così sorprendentemente accurato sulla terraferma, apparentemente non aveva dati con cui modellare l’ambiente sottomarino. Era un vuoto non reso sotto la superficie vitrea dell'acqua, come se si trattasse di una versione subacquatica dell'acqua. The Truman Show, ed eravamo arrivati ​​alla fine del mondo.

Nessuno di noi è rimasto particolarmente sorpreso. Lo shock sarebbe stato se gli oceani avevo

stato reso. Da dove verrebbero queste informazioni? E quanto sarebbe stato accurato? Avrebbe significato che i creatori del modello sapevano qualcosa che nemmeno i più importanti oceanografi del mondo sanno.

Nonostante tutta la giustificabile eccitazione legata all’esplorazione dello spazio negli anni 2020 (Elon Musk è “altamente fiducioso” che gli esseri umani si dirigeranno verso Marte entro il 2026), gli oceani del nostro pianeta rimangono un dominio in gran parte inesplorato e sconosciuto, molto più vicino a casa. L’acqua copre circa il 71% della superficie terrestre, mentre l’acqua dolce che beviamo rappresenta un minuscolo 3%, poco più di un errore di arrotondamento. Ma la stragrande maggioranza degli oceani della Terra – fino al 95% – è un mistero inesplorato.

Anche se siamo ancora lontani da un equivalente di Google Street View per il mondo sottomarino, un nuovo progetto è in corso I ricercatori della Stanford University potrebbero aprire la strada a qualcosa del genere in futuro – e molto altro ancora Oltretutto. Immagina di poter far volare un aereo sopra uno specchio d'acqua e vedere, con assoluta chiarezza, cosa si nasconde sotto le onde.

Sembra impossibile. A quanto pare, è davvero, davvero difficile.

Il problema con il lidar, il problema con il sonar

“Immaginare ambienti sottomarini da un sistema aereo è un compito impegnativo, ma che ha molte potenziali applicazioni”, Aidan James Fitzpatrick, uno studente laureato presso il dipartimento di ingegneria elettrica dell'Università di Stanford, ha dichiarato a Digital Trends.

Il candidato ovvio per questo lavoro di imaging è il lidar. Lidar è il tecnologia laser rimbalzata famoso soprattutto per aiutare i veicoli autonomi (non Tesla) a percepire il mondo che li circonda. Funziona emettendo onde luminose pulsate e quindi misurando il tempo impiegato per rimbalzare sugli oggetti e tornare al sensore. In questo modo il sensore può calcolare la distanza percorsa dall'impulso luminoso e, di conseguenza, creare un'immagine del mondo circostante. Sebbene le auto a guida autonoma rimangano l’uso più noto del lidar, esso può essere utilizzato come potente strumento di mappatura anche in altri contesti. Ad esempio, i ricercatori lo hanno utilizzato nel 2016 per scoprire una città perduta nascosta da tempo sotto una fitta copertura di fogliame nella giungla cambogiana.

Lidar, però, non è appropriato per questo tipo di mappatura. Sebbene i sistemi lidar avanzati e ad alta potenza funzionino bene in acque estremamente limpide, gran parte dell’oceano, in particolare le acque costiere, tende ad essere torbido e opaco alla luce. Di conseguenza, ha affermato Fitzpatrick, gran parte delle immagini subacquee eseguite fino ad oggi si sono basate su sistemi sonar in acqua che utilizzano onde sonore in grado di propagarsi facilmente attraverso acque torbide.

Sfortunatamente, anche qui c’è un problema. I sistemi sonar in acqua sono montati o trainati da un'imbarcazione che si muove lentamente. L'acquisizione di immagini dall'alto, utilizzando un veicolo volante, sarebbe più efficace poiché potrebbe coprire un'area molto più grande in meno tempo. Ma è impossibile perché le onde sonore non possono passare dall’aria all’acqua e poi tornare indietro senza perdere il 99,9999% della loro energia.

Cosa arriva a PASS

Di conseguenza, mentre i sistemi lidar e radar hanno mappato l’intero paesaggio terrestre (enfasi su “terra”), solo il 5% circa delle acque globali è stato oggetto di immagini simili Mappatura. È l’equivalente di una mappa del mondo che mostra solo l’Australia e lascia il resto scuro come se fosse inesplorato L'età degli imperi carta geografica.

"Il nostro obiettivo è proporre una tecnologia che possa essere montata su un veicolo volante per fornire una copertura su larga scala utilizzando una tecnica di imaging robusta in acque torbide", ha affermato Fitzpatrick. “Per fare questo, stiamo sviluppando quello che abbiamo chiamato sistema sonar aereo fotoacustico. PASS sfrutta i vantaggi della propagazione della luce nell’aria e della propagazione del suono nell’acqua per immaginare gli ambienti sottomarini da un sistema aereo”.

PASS funziona in questo modo: in primo luogo, uno speciale sistema laser personalizzato emette un'esplosione di luce infrarossa che viene assorbita dal primo centimetro circa d'acqua. Una volta avvenuto l'assorbimento del laser, l'acqua si espande termicamente, creando onde sonore in grado di viaggiare nell'acqua.

"Queste onde sonore ora agiscono come un segnale sonar in acqua generato a distanza utilizzando il laser", ha continuato Fitzpatrick. “Le onde sonore si rifletteranno sugli oggetti sottomarini e torneranno verso la superficie dell’acqua. Una parte di questo suono – solo circa lo 0,06% – attraversa l’interfaccia aria-acqua e viaggia verso il sistema aereo. I ricevitori sonori o trasduttori ad alta sensibilità catturano queste onde sonore. I trasduttori [quindi] convertono l’energia sonora in segnali elettrici che possono essere passati attraverso algoritmi di ricostruzione dell’immagine per formare un’immagine percepibile”.

Le cose che giacciono sotto

Finora, PASS è un work in progress. Il team ha dimostrato l'imaging tridimensionale ad alta risoluzione in un ambiente di laboratorio controllato. Ma questo, ha riconosciuto Fitzpatrick, è in un “contenitore delle dimensioni di un grande acquario”, anche se la tecnologia è ora “vicina alla fase” in cui potrebbe essere dispiegata su una grande piscina.

Naturalmente c’è una leggera differenza tra una grande piscina e l’insieme degli oceani della Terra, e questo richiederà molto più lavoro. In particolare, una grande sfida da risolvere prima di effettuare test in ambienti più ampi e incontrollati è come affrontare l’imaging attraverso l’acqua con onde superficiali turbolente. Fitzpatrick ha affermato che si tratta di un grattacapo, ma che “ha sicuramente soluzioni fattibili”, alcune delle quali il team sta già lavorando.

"PASS potrebbe essere utilizzato per mappare le profondità di acque inesplorate, esaminare ambienti biologici, cercare relitti perduti e potenzialmente molto altro ancora", ha affermato. “Non è strano”, ha aggiunto, “che dobbiamo ancora esplorare l’intera Terra su cui viviamo? Forse PASS può cambiare la situazione”.

Combinare luce e suono per risolvere l’interfaccia aria-acqua rappresenterebbe un punto di svolta. Dopodiché? Porta con noi l'esercito dei droni mappatori per aiutarci finalmente a mostrarci cosa si trova sotto la superficie dell'oceano.

Un documento che descrive il progetto PASS è stato recentemente pubblicato sulla rivista IEEE Access.

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