Cartografía de todo el fondo del océano: ¿desde el cielo?

Universidad Stanford

Un amigo mío que trabaja en el diseño de juegos me mostró recientemente un modelo 3D de la Tierra, renderizado con gran detalle utilizando datos satelitales topográficamente precisos, de modo que pudiéramos volar a través de los cañones y nuestros respectivos vecindarios a alta velocidad como un par de Superhombres en movimiento. “Veamos si podemos sumergirnos”, dijo, emocionado, mientras volamos sobre el Pacífico.

No pudimos. El modelo, tan increíblemente preciso en tierra, aparentemente no tenía datos con los que modelar el entorno submarino. Era un vacío sin procesar debajo de la superficie vidriosa del agua, como si fuera una versión subacuática de El show de Truman, y habíamos llegado al fin del mundo.

Ninguno de los dos estaba particularmente sorprendido. El impacto hubiera sido si los océanos tenido sido prestado. ¿De dónde habría salido esa información? ¿Y qué tan exacto habría sido? Habría significado que los creadores del modelo sabían algo que ni siquiera los oceanógrafos más destacados del mundo saben.

A pesar de todo el entusiasmo justificado en torno a la exploración del espacio en la década de 2020 (Elon Musk está “muy seguro” de que los humanos se dispararán hacia Marte para 2026), los océanos de nuestro planeta siguen siendo un dominio desconocido y en gran parte inexplorado que está mucho más cerca de casa. El agua cubre alrededor del 71 por ciento de la superficie de la Tierra, y el agua dulce que bebemos representa un minúsculo 3 por ciento, poco más que un error de redondeo. Pero la inmensa mayoría de los océanos de la Tierra, hasta el 95 por ciento, son un misterio inexplorado.

Si bien todavía estamos muy lejos de un equivalente de Google Street View para el mundo submarino, un nuevo proyecto que están llevando a cabo los investigadores de la Universidad de Stanford podría allanar el camino para tal cosa en el futuro, y mucho más. . Imagínese poder volar un avión sobre un tramo de agua y ver, con absoluta claridad, lo que se esconde debajo de las olas.

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Suena imposible. Resulta que es muy, muy difícil.

El problema con lidar, el problema con el sonar

“Obtener imágenes de entornos submarinos desde un sistema aéreo es una tarea desafiante, pero una que tiene muchas aplicaciones potenciales”, dijo Aidan James Fitzpatrick, estudiante graduado del departamento de ingeniería eléctrica y de la Universidad de Stanford, a Digital Trends.

El candidato obvio para este trabajo de imágenes es lidar. Lidar es la tecnología láser de rebote más famosa por ayudar a los vehículos autónomos (que no son de Tesla) a percibir el mundo que los rodea. Funciona emitiendo ondas de luz pulsadas y luego midiendo cuánto tardan en rebotar en los objetos y regresar al sensor. Hacer esto permite al sensor calcular qué tan lejos viajó el pulso de luz y, como resultado, crear una imagen del mundo que lo rodea. Si bien los automóviles autónomos siguen siendo el uso más conocido de lidar, también se puede utilizar como una poderosa herramienta de mapeo en otros contextos. Por ejemplo, los investigadores lo usaron en 2016 para descubrir una ciudad perdida hace mucho tiempo escondida debajo de una densa cobertura de follaje en la jungla de Camboya.

Sin embargo, Lidar no es apropiado para este tipo de mapeo. Aunque los sistemas lidar avanzados y de alta potencia funcionan bien en aguas extremadamente claras, gran parte del océano, especialmente el agua costera, tiende a ser turbio y opaco a la luz. Como resultado, dijo Fitzpatrick, gran parte de las imágenes submarinas realizadas hasta la fecha se han basado en sistemas de sonar en el agua que utilizan ondas de sonido capaces de propagarse a través de aguas turbias con facilidad.

Desafortunadamente, aquí también hay una trampa. Los sistemas de sonar en el agua se montan o se remolcan en un barco de movimiento lento. Tomar imágenes desde el aire, utilizando un vehículo volador, sería más efectivo, ya que podría cubrir un área mucho mayor en menos tiempo. Pero es imposible ya que las ondas sonoras no pueden pasar del aire al agua y luego regresar sin perder el 99,9999 por ciento de su energía.

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Lo que viene a PASS

En consecuencia, mientras que los sistemas de radar y lidar han mapeado todo el paisaje de la Tierra (énfasis en la “tierra”), solo alrededor del 5 por ciento de las aguas globales han sido objeto de imágenes y mapeo similares. Eso es el equivalente a un mapa del mundo que solo muestra Australia, y deja el resto oscuro como algo inexplorado. Era de los imperios mapa.

“Nuestro objetivo es proponer una tecnología que se pueda montar en un vehículo volador para proporcionar una cobertura a gran escala mientras se utiliza una técnica de imagen que es robusta en aguas turbias”, dijo Fitzpatrick. “Para hacer esto, estamos desarrollando lo que hemos acuñado como un Sistema de Sonar Aéreo Fotoacústico. PASS aprovecha los beneficios de la propagación de la luz en el aire y la propagación del sonido en el agua para obtener imágenes de los entornos submarinos desde un sistema aéreo ”.

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PASS funciona así: Primero, un sistema láser personalizado especial dispara una ráfaga de luz infrarroja que es absorbida por el primer centímetro de agua. Una vez que se ha producido la absorción del láser, el agua se expande térmicamente, creando ondas sonoras que pueden viajar al agua.

“Estas ondas de sonido ahora actúan como una señal de sonar en el agua que se generó de forma remota utilizando el láser”, continuó Fitzpatrick. “Las ondas sonoras se reflejarán en los objetos bajo el agua y viajarán de regreso hacia la superficie del agua. Parte de este sonido, solo alrededor del 0.06 por ciento, cruza la interfaz aire-agua y viaja hacia el sistema aéreo. Los transductores o receptores de sonido de alta sensibilidad capturan estas ondas sonoras. Los transductores [then] convertir la energía del sonido en señales eléctricas que pueden pasar a través de algoritmos de reconstrucción de imágenes para formar una imagen perceptible “.

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Las cosas que yacen debajo

Hasta ahora, PASS es un trabajo en progreso. El equipo ha demostrado imágenes tridimensionales de alta resolución en un entorno de laboratorio controlado. Pero esto, reconoció Fitzpatrick, está en un “contenedor del tamaño de una gran pecera”, aunque la tecnología está ahora “cerca del escenario” en el que podría desplegarse sobre una gran piscina.

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Por supuesto, existe una pequeña diferencia entre una gran piscina y la totalidad de los océanos de la Tierra, y esto requerirá mucho más trabajo. En particular, un gran desafío que debe resolverse antes de realizar pruebas en entornos más grandes y menos controlados es cómo abordar las imágenes a través del agua con ondas superficiales turbulentas. Fitzpatrick dijo que esto es un rasguño de cabeza, pero es uno que “seguramente tiene soluciones factibles”, algunas de las cuales el equipo ya está trabajando.

“PASS podría usarse para mapear las profundidades de aguas inexploradas, estudiar entornos biológicos, buscar restos perdidos y potencialmente mucho más”, dijo. “¿No es extraño”, agregó, “que todavía tenemos que explorar la totalidad de la Tierra en la que vivimos? Quizás PASS pueda cambiar esto “.

Combinar luz y sonido para resolver la interfaz aire-agua sería un cambio de juego. ¿Y después de eso? Traiga el ejército de drones cartográficos para ayudarnos finalmente a mostrarnos lo que hay debajo de la superficie del océano.

Recientemente se publicó un artículo que describe el proyecto PASS en la revista IEEE Access.

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Pilar Benegas es una reconocida periodista con amplia experiencia en importantes medios de USA, como LaOpinion, Miami News, The Washington Post, entre otros. Es editora en jefe de Es de Latino desde 2019.