De hele oceaanbodem in kaart brengen – vanuit de lucht?

Een vriend van mij die in het ontwerpen van games werkt, liet me onlangs een 3D-model van de aarde zien, zeer gedetailleerd weergegeven met behulp van topografische gegevens. nauwkeurige satellietgegevens, zodat we met hoge snelheid door canyons en onze respectievelijke buurten konden vliegen als een paar joyriding Super mannen. ‘Laten we kijken of we onder water kunnen gaan,’ zei hij opgewonden, terwijl we over de Stille Oceaan vlogen.

Dat konden we niet. Het model, dat zo verbluffend nauwkeurig was op het land, beschikte kennelijk over nul gegevens om de onderzeese omgeving mee te modelleren. Het was een niet weergegeven leegte onder het glasachtige wateroppervlak, alsof dit een onderwaterversie was The Truman Showen we hadden het einde van de wereld bereikt.

We waren geen van beiden bijzonder verrast. De schok zou zijn geweest als de oceanen waren verdwenen

had weergegeven. Waar zou die informatie vandaan komen? En hoe nauwkeurig zou het zijn geweest? Het zou hebben betekend dat de makers van het model iets wisten wat zelfs de meest vooraanstaande oceanografen ter wereld niet weten.

Ondanks alle gerechtvaardigde opwinding rond het verkennen van de ruimte in de jaren 2020 (Elon Musk is “zeer zelfverzekerd‘dat mensen tegen 2026 richting Mars zullen schieten), blijven de oceanen van onze planeet een grotendeels onbekend en onbekend domein dat veel dichter bij huis ligt. Water bedekt ongeveer 71 procent van het aardoppervlak, waarbij het zoete water dat we drinken slechts 3 procent voor zijn rekening neemt, weinig meer dan een afrondingsfout. Maar de overgrote meerderheid van de oceanen op aarde – tot 95 procent – ​​is een onontgonnen mysterie.

Hoewel we nog ver verwijderd zijn van een Google Street View-equivalent voor de onderzeese wereld, wordt er een nieuw project uitgevoerd door onderzoekers van Stanford University zou de weg kunnen vrijmaken voor precies zoiets in de toekomst – en nog veel meer daarnaast. Stel je voor dat je een vliegtuig over een stuk water kunt vliegen en met absolute helderheid kunt zien wat zich onder de golven verbergt.

Het klinkt onmogelijk. Het blijkt dat het gewoon heel erg moeilijk is.

Het probleem met lidar, het probleem met sonar

“Het in beeld brengen van onderwateromgevingen vanuit een luchtsysteem is een uitdagende taak, maar wel één die veel potentiële toepassingen kent,” Aidan James Fitzpatrick, een afgestudeerde student aan de afdeling elektrotechniek van Stanford University, aan Digital Trends.

De voor de hand liggende kandidaat voor deze beeldvormingstaak is lidar. Lidar is de stuiterde lasertechnologie het meest bekend vanwege het helpen van (niet-Tesla) autonome voertuigen om de wereld om hen heen waar te nemen. Het werkt door gepulseerde lichtgolven uit te zenden en vervolgens te meten hoe lang het duurt voordat ze van objecten weerkaatsen en terugkeren naar de sensor. Hierdoor kan de sensor berekenen hoe ver de lichtpuls heeft afgelegd en zo een beeld opbouwen van de wereld eromheen. Hoewel zelfrijdende auto's het bekendste gebruik van lidar blijven, kan het ook in andere contexten worden gebruikt als een krachtig kaartinstrument. Onderzoekers gebruikten het bijvoorbeeld in 2016 om ontdek een lang verloren verborgen stad onder dichte begroeiing in de Cambodjaanse jungle.

Lidar is echter niet geschikt voor dit soort kaarten. Hoewel geavanceerde, krachtige lidarsystemen goed presteren in extreem helder water, is een groot deel van de oceaan – vooral het kustwater – vaak troebel en ondoorzichtig voor licht. Als gevolg hiervan, zei Fitzpatrick, is een groot deel van de tot nu toe uitgevoerde onderwaterbeelden gebaseerd op sonarsystemen in het water die gebruik maken van geluidsgolven die zich gemakkelijk door troebel water kunnen voortplanten.

Helaas zit hier ook een addertje onder het gras. Sonarsystemen in het water worden gemonteerd op of gesleept door een langzaam varende boot. Beeldvorming vanuit de lucht, met behulp van een vliegend luchtvoertuig, zou effectiever zijn, omdat het in minder tijd een veel groter gebied zou kunnen bestrijken. Maar dat is onmogelijk omdat geluidsgolven niet van de lucht naar het water kunnen gaan en dan weer terug zonder 99,9999 procent van hun energie te verliezen.

Wat komt er naar PASS

Hoewel lidar- en radarsystemen het hele landschap van de aarde in kaart hebben gebracht (nadruk op de “land”), is slechts ongeveer 5 procent van de mondiale wateren het onderwerp geweest van soortgelijke beeldvorming in kaart brengen. Dat is het equivalent van een wereldkaart die alleen Australië laat zien, en de rest donker laat, alsof het nog onontgonnen is Tijdperk van rijken kaart.

"Ons doel is om een ​​technologie voor te stellen die op een vliegend voertuig kan worden gemonteerd om grootschalige dekking te bieden, terwijl gebruik wordt gemaakt van een beeldtechniek die robuust is in troebel water", aldus Fitzpatrick. “Om dit te doen, ontwikkelen we wat we een Photoacoustic Airborne Sonar System hebben genoemd. PASS maakt gebruik van de voordelen van lichtvoortplanting in de lucht en geluidsvoortplanting in water om onderwateromgevingen in beeld te brengen vanuit een luchtsysteem.”

PASS werkt als volgt: eerst vuurt een speciaal op maat gemaakt lasersysteem een ​​uitbarsting van infrarood licht af dat wordt geabsorbeerd door de eerste centimeter water. Zodra laserabsorptie heeft plaatsgevonden, zet het water thermisch uit, waardoor geluidsgolven ontstaan ​​die zich in het water kunnen voortplanten.

“Deze geluidsgolven fungeren nu als een sonarsignaal in het water dat op afstand werd gegenereerd met behulp van de laser”, vervolgde Fitzpatrick. “De geluidsgolven reflecteren op objecten onder water en reizen terug naar het wateroppervlak. Een deel van dit geluid – slechts ongeveer 0,06 procent – ​​passeert het lucht-watergrensvlak en reist omhoog naar het luchtsysteem. Hooggevoelige geluidsontvangers of transducers vangen deze geluidsgolven op. De transducers zetten de geluidsenergie [vervolgens] om in elektrische signalen die via beeldreconstructie-algoritmen kunnen worden doorgegeven om een ​​waarneembaar beeld te vormen.”

De dingen die eronder liggen

Tot nu toe is PASS een werk in uitvoering. Het team heeft driedimensionale beeldvorming met hoge resolutie gedemonstreerd in een gecontroleerde laboratoriumomgeving. Maar dit, zo erkende Fitzpatrick, bevindt zich in een “container ter grootte van een groot aquarium”, hoewel de technologie nu “dicht bij het stadium” is waarop deze boven een groot zwembad zou kunnen worden ingezet.

Er is uiteraard een klein verschil tussen een groot zwembad en de hele oceanen van de aarde, en dit zal aanzienlijk meer werk vergen. Een grote uitdaging die moet worden opgelost voordat in grotere, meer ongecontroleerde omgevingen wordt getest, is met name de manier waarop beeldvorming door water met turbulente oppervlaktegolven moet worden aangepakt. Fitzpatrick zei dat dit een hoofdbrekend probleem is, maar het is er een die “zeker haalbare oplossingen heeft”, waar het team al aan werkt.

“PASS zou kunnen worden gebruikt om de diepten van onbekende wateren in kaart te brengen, biologische omgevingen te onderzoeken, verloren wrakstukken te zoeken en mogelijk nog veel meer”, zei hij. ‘Is het niet vreemd’, voegde hij eraan toe, ‘dat we de hele aarde waarop we leven nog moeten verkennen? Misschien kan PASS hier verandering in brengen.”

Het combineren van licht en geluid om het lucht-water-grensvlak op te lossen zou een game changer zijn. En daarna? Roep het leger van drones in kaart om ons eindelijk te helpen laten zien wat er onder het oceaanoppervlak ligt.

Er was een paper waarin het PASS-project werd beschreven onlangs gepubliceerd in het tijdschrift IEEE Access.

Aanbevelingen van de redactie

• Met een slim nieuw haptisch vest kunnen reddingshonden commando's van kilometers afstand overnemen