Cartografierea întregului fund oceanic -- Din cer?

Un prieten de-al meu care lucrează în design de jocuri mi-a arătat recent un model 3D al Pământului, redat în detaliu folosind topografic date precise prin satelit, astfel încât să ne putem înălța prin canioane și cartierele respective cu viteză mare ca o pereche de călărie Supraoameni. „Să vedem dacă putem merge sub apă”, a spus el, entuziasmat, în timp ce zburam deasupra Pacificului.

Nu am putut. Modelul, atât de uimitor de precis pe uscat, se pare că nu avea date cu care să modeleze mediul submarin. Era un gol netăgăduit sub suprafața sticloasă a apei, ca și cum aceasta ar fi o versiune subacvatică a Spectacolul Truman, și am ajuns la capătul lumii.

Niciunul dintre noi nu a fost deosebit de surprins. Șocul ar fi fost dacă oceanele a avut fost redate. De unde ar fi venit aceste informații? Și cât de precis ar fi fost? Ar fi însemnat că creatorii modelului știau ceva ce nici măcar cei mai de seamă oceanografi ai lumii nu știu.

Pentru toată entuziasmul justificat în jurul explorării spațiului în anii 2020 (Elon Musk este „foarte încrezător”că oamenii se vor îndrepta spre Marte până în 2026), oceanele planetei noastre rămân în mare parte un domeniu neexplorat și necunoscut, care este mult mai aproape de casă. Apa acoperă aproximativ 71 la sută din suprafața Pământului, iar apa dulce pe care o bem reprezintă un minuscul 3 la sută, puțin mai mult decât o eroare de rotunjire. Dar majoritatea covârșitoare a oceanelor Pământului - până la 95 la sută - sunt un mister neexplorat.

Deși suntem încă departe de un echivalent Google Street View pentru lumea submarină, un nou proiect este în curs cercetătorii de la Universitatea Stanford ar putea deschide calea pentru un astfel de lucru în viitor - și multe altele in afara de asta. Imaginează-ți că poți să zbori cu un avion peste o întindere de apă și să vezi, cu o claritate absolută, ce se ascunde sub valuri.

Sună imposibil. După cum se dovedește, este doar foarte, foarte dificil.

Problema cu lidarul, problema cu sonarul

„Imaginirea mediului subacvatic dintr-un sistem aeropurtat este o sarcină dificilă, dar care are multe aplicații potențiale.” Aidan James Fitzpatrick, un student absolvent la departamentul de și inginerie electrică a Universității Stanford, a declarat pentru Digital Trends.

Candidatul evident pentru acest job de imagistică este lidar. Lidar este tehnologia laser revărsat cel mai faimos pentru că ajută vehiculele autonome (non-Tesla) să perceapă lumea din jurul lor. Funcționează prin emiterea de unde de lumină pulsată și apoi măsurând cât timp durează pentru a sări de obiecte și a reveni la senzor. Acest lucru permite senzorului să calculeze cât de departe a parcurs pulsul de lumină și, ca rezultat, să construiască o imagine a lumii din jurul lui. În timp ce mașinile cu conducere autonomă rămân cea mai cunoscută utilizare a lidarului, acesta poate fi folosit ca instrument de cartografiere puternic și în alte contexte. De exemplu, cercetătorii l-au folosit în 2016 pentru a descoperi un oraș de mult pierdut ascuns sub acoperirea densă a frunzișului din jungla cambodgiană.

Lidar nu este potrivit pentru acest tip de cartografiere, totuși. Deși sistemele lidar avansate, de mare putere, funcționează bine în apele extrem de limpezi, mare parte din ocean - în special apa de coastă - tinde să fie tulbure și opace la lumină. Drept urmare, a spus Fitzpatrick, o mare parte din imaginile subacvatice efectuate până în prezent s-au bazat pe sisteme sonar în apă care folosesc unde sonore capabile să se propagă cu ușurință prin apele tulburi.

Din păcate, există și o captură aici. Sistemele sonar în apă sunt montate pe o barcă cu mișcare lentă sau remorcate de aceasta. Imaginile din aer, folosind un vehicul aeropurtat zburător, ar fi mai eficiente, deoarece ar putea acoperi o zonă mult mai mare în mai puțin timp. Dar este imposibil, deoarece undele sonore nu pot trece din aer în apă și apoi înapoi fără a pierde 99,9999% din energie.

Ce vine la PASS

În consecință, în timp ce sistemele lidar și radar au cartografiat întregul peisaj al Pământului (accent pe „pământ”), doar aproximativ 5% din apele globale au făcut obiectul unor imagini similare și cartografiere. Acesta este echivalentul unei hărți a lumii care arată doar Australia și o lasă întunecată ca pe unele neexplorate. Vârsta imperiilor Hartă.

„Scopul nostru este de a propune o tehnologie care poate fi montată pe un vehicul zburător pentru a oferi o acoperire la scară largă în timp ce se utilizează o tehnică de imagistică care este robustă în apă tulbure”, a spus Fitzpatrick. „Pentru a face acest lucru, dezvoltăm ceea ce am inventat un sistem fotoacustic de sonar aeropurtat. PASS exploatează beneficiile propagării luminii în aer și ale propagării sunetului în apă pentru a imagini mediile subacvatice dintr-un sistem aeropurtat.”

PASS funcționează astfel: în primul rând, un sistem laser special personalizat declanșează o explozie de lumină infraroșie care este absorbită de primul centimetru de apă. Odată ce a avut loc absorbția laser, apa se extinde termic, creând unde sonore care sunt capabile să călătorească în apă.

„Aceste unde sonore acționează acum ca un semnal sonar în apă care a fost generat de la distanță cu ajutorul laserului”, a continuat Fitzpatrick. „Undele sonore se vor reflecta în obiectele subacvatice și vor călători înapoi spre suprafața apei. O parte din acest sunet – doar aproximativ 0,06 la sută – traversează interfața aer-apă și se deplasează în sus spre sistemul aeropurtat. Receptoarele de sunet de înaltă sensibilitate, sau traductoarele, captează aceste unde sonore. Traductoarele [apoi] convertesc energia sonoră în semnale electrice care pot fi transmise prin algoritmi de reconstrucție a imaginii pentru a forma o imagine perceptibilă.”

Lucrurile care se află dedesubt

Până acum, PASS este o lucrare în curs. Echipa a demonstrat imagini tridimensionale de înaltă rezoluție într-un mediu de laborator controlat. Dar acesta, a recunoscut Fitzpatrick, este într-un „container de mărimea unui rezervor mare de pești”, deși tehnologia este acum „aproape de scena” în care ar putea fi instalată peste o piscină mare.

Există, desigur, o mică diferență între o piscină mare și întregul ocean al Pământului, iar acest lucru va necesita mult mai multă muncă. În special, o mare provocare care trebuie rezolvată înainte de testarea în medii mai mari și mai necontrolate este modul de abordare a imaginilor prin apă cu valuri de suprafață turbulente. Fitzpatrick a spus că acesta este un zgârietor de cap, dar este unul care „cu siguranță are soluții fezabile”, unele dintre ele la care echipa lucrează deja.

„PASS ar putea fi folosit pentru a cartografi adâncimile apelor neexplorate, pentru a cerceta mediile biologice, pentru a căuta epave pierdute și, potențial, multe altele”, a spus el. „Nu este ciudat”, a adăugat el, „că trebuie încă să explorăm întregul Pământ pe care trăim? Poate că PASS poate schimba asta.”

Combinarea luminii și a sunetului pentru a rezolva interfața aer-apă ar schimba jocul. Si dupa aceea? Aduceți armata de drone de cartografiere pentru a ne ajuta în sfârșit să ne arătăm ce se află sub suprafața oceanului.

O lucrare care descrie proiectul PASS a fost publicat recent în revista IEEE Access.

Recomandările editorilor

• Noua vestă haptică inteligentă ar putea permite câinilor de salvare să preia comenzi de la kilometri distanță