Mapeando todo o fundo do oceano – do céu?

Um amigo meu que trabalha com design de jogos recentemente me mostrou um modelo 3D da Terra, renderizado detalhadamente usando topografia dados precisos de satélite, para que pudéssemos voar através dos cânions e de nossas respectivas vizinhanças em alta velocidade, como um par de passeios de lazer Super homens. “Vamos ver se conseguimos mergulhar”, disse ele, entusiasmado, enquanto voávamos sobre o Pacífico.

Nós não poderíamos. O modelo, tão incrivelmente preciso em terra, aparentemente não tinha dados para modelar o ambiente submarino. Era um vazio irrepreensível sob a superfície vítrea da água, como se aquilo fosse alguma versão subaquática da água. O show de Truman, e tínhamos chegado ao fim do mundo.

Nenhum de nós ficou particularmente surpreso. O choque teria sido se os oceanos tive foi renderizado. De onde teria vindo essa informação? E quão preciso teria sido? Isso significaria que os criadores do modelo sabiam algo que mesmo os principais oceanógrafos do mundo não sabem.

Apesar de toda a empolgação justificável em torno da exploração do espaço na década de 2020 (Elon Musk é “altamente confiante”que os humanos irão disparar em direção a Marte em 2026), os oceanos do nosso planeta continuam a ser um domínio largamente inexplorado e desconhecido que está muito mais perto de casa. A água cobre cerca de 71% da superfície da Terra, com a água doce que bebemos representando minúsculos 3%, pouco mais do que um erro de arredondamento. Mas a esmagadora maioria dos oceanos da Terra – até 95% – é um mistério inexplorado.

Embora ainda estejamos muito longe de um equivalente do Google Street View para o mundo submarino, um novo projeto em andamento realizado por pesquisadores da Universidade de Stanford poderia abrir caminho para tal coisa no futuro - e muito mais além do mais. Imagine ser capaz de pilotar um avião sobre um trecho de água e ver, com absoluta clareza, o que se esconde sob as ondas.

Parece impossível. Acontece que é muito, muito difícil.

O problema com o lidar, o problema com o sonar

“Criar imagens de ambientes subaquáticos a partir de um sistema aéreo é uma tarefa desafiadora, mas que tem muitas aplicações potenciais”, Aidan James Fitzpatrick, um estudante de pós-graduação do departamento de engenharia elétrica da Universidade de Stanford, disse à Digital Trends.

O candidato óbvio para este trabalho de imagem é o lidar. Lidar é o tecnologia laser rebatida mais famoso por ajudar veículos autônomos (não Tesla) a perceber o mundo ao seu redor. Ele funciona emitindo ondas de luz pulsadas e medindo quanto tempo elas levam para ricochetear nos objetos e retornar ao sensor. Isso permite que o sensor calcule a distância percorrida pelo pulso de luz e, como resultado, construa uma imagem do mundo ao seu redor. Embora os carros autônomos continuem sendo o uso mais conhecido do lidar, ele também pode ser usado como uma poderosa ferramenta de mapeamento em outros contextos. Por exemplo, os pesquisadores usaram-no em 2016 para descubra uma cidade há muito perdida escondida sob a densa cobertura de folhagem na selva cambojana.

No entanto, o Lidar não é apropriado para esse tipo de mapeamento. Embora os sistemas lidar avançados e de alta potência tenham um bom desempenho em águas extremamente claras, grande parte do oceano – especialmente as águas costeiras – tende a ser turva e opaca à luz. Como resultado, disse Fitzpatrick, muitas das imagens subaquáticas realizadas até o momento dependem de sistemas de sonar na água que usam ondas sonoras capazes de se propagar facilmente através de águas turvas.

Infelizmente, há um problema aqui também. Os sistemas de sonar na água são montados ou rebocados por um barco lento. A obtenção de imagens aéreas, utilizando um veículo aéreo voador, seria mais eficaz, pois poderia cobrir uma área muito maior em menos tempo. Mas é impossível, uma vez que as ondas sonoras não podem passar do ar para a água e depois voltar sem perder 99,9999 por cento da sua energia.

O que vem para PASS

Consequentemente, embora os sistemas lidar e radar tenham mapeado toda a paisagem da Terra (ênfase no “terra”), apenas cerca de 5 por cento das águas globais foram objecto de imagens semelhantes e mapeamento. Isso é o equivalente a um mapa mundial que mostra apenas a Austrália e deixa o resto escuro como se fosse um mapa inexplorado. Era dos impérios mapa.

“Nosso objetivo é propor uma tecnologia que possa ser montada em um veículo voador para fornecer cobertura em larga escala enquanto utiliza uma técnica de imagem que seja robusta em águas turvas”, disse Fitzpatrick. “Para fazer isso, estamos desenvolvendo o que chamamos de Sistema de Sonar Aerotransportado Fotoacústico. O PASS explora os benefícios da propagação da luz no ar e da propagação do som na água para criar imagens de ambientes subaquáticos a partir de um sistema aéreo.”

O PASS funciona assim: primeiro, um sistema especial de laser personalizado dispara uma explosão de luz infravermelha que é absorvida pelo primeiro centímetro ou mais de água. Depois que ocorre a absorção do laser, a água se expande termicamente, criando ondas sonoras que são capazes de viajar para dentro da água.

“Essas ondas sonoras agora atuam como um sinal de sonar na água que foi gerado remotamente usando o laser”, continuou Fitzpatrick. “As ondas sonoras serão refletidas em objetos subaquáticos e viajarão de volta em direção à superfície da água. Parte desse som – apenas cerca de 0,06% – atravessa a interface ar-água e sobe em direção ao sistema aéreo. Receptores ou transdutores de som de alta sensibilidade capturam essas ondas sonoras. Os transdutores [então] convertem a energia sonora em sinais elétricos que podem ser transmitidos através de algoritmos de reconstrução de imagem para formar uma imagem perceptível.”

As coisas que estão abaixo

Até agora, o PASS é um trabalho em andamento. A equipe demonstrou imagens tridimensionais de alta resolução em um ambiente de laboratório controlado. Mas isto, reconheceu Fitzpatrick, está num “recipiente do tamanho de um grande aquário”, embora a tecnologia esteja agora “perto do estágio” onde poderá ser implantada numa grande piscina.

Existe, claro, uma ligeira diferença entre uma grande piscina e a totalidade dos oceanos da Terra, e isto exigirá consideravelmente mais trabalho. Em particular, um grande desafio a ser resolvido antes de testar em ambientes maiores e mais descontrolados é como lidar com imagens através da água com ondas superficiais turbulentas. Fitzpatrick disse que isso é preocupante, mas “certamente tem soluções viáveis”, algumas das quais a equipe já está trabalhando.

“O PASS poderia ser usado para mapear as profundezas de águas desconhecidas, pesquisar ambientes biológicos, procurar destroços perdidos e potencialmente muito mais”, disse ele. “Não é estranho”, acrescentou, “que ainda não tenhamos explorado toda a Terra em que vivemos? Talvez o PASS possa mudar isso.”

Combinar luz e som para resolver a interface ar-água seria uma virada de jogo. E depois disso? Traga o exército de drones de mapeamento para finalmente nos ajudar a mostrar o que existe abaixo da superfície do oceano.

Um artigo descrevendo o projeto PASS foi publicado recentemente na revista IEEE Access.

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