Μια ανάσα φρέσκου αέρα: Τα USV χαρτογραφούν την υποξία στον Κόλπο

Δύο SeaTrac SP-48 στον Κόλπο. Πίστωση: USM/SeaTrac Systems

Η επιστημονική μέθοδος χρησιμεύει ως πρότυπο για την έρευνα, καθοδηγώντας αναλυτικά και ερευνητικά έργα. Αν και διδάσκεται σε γενιές φοιτητών, τα βήματά της δεν είναι καθόλου αρχαία, καθώς οι τεχνολογικές εξελίξεις βοηθούν τους ερευνητές να αναπτύξουν και να εκσυγχρονίσουν κάθε βήμα της, εξοικονομώντας χρόνο, χρήματα, ακόμη και ζωές. Η συλλογή δεδομένων, το μεσαίο βήμα της επιστημονικής μεθόδου, δεν αποτελεί εξαίρεση. Πολλά έργα απαιτούν ισχυρά σύνολα δεδομένων, τα οποία συχνά συλλέγονται από ακραία περιβάλλοντα ή για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Το Πανεπιστήμιο του Νότιου Μισισιπή (USM), με τη βοήθεια της SeaTrac Systems, έχει στραφεί σε αυτόνομες λύσεις κατά τη διεξαγωγή έρευνας για την υποξία στον Κόλπο του Μεξικού.

Η συνεργασία, στην οποία συμμετέχει η Εθνική Υπηρεσία Ωκεανών και Ατμόσφαιρας (NOAA), χαρτογραφεί την πιθανή υποξία στον Κόλπο και τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζει την τοπική αλιεία και τους πληθυσμούς ψαριών. Οι υποξικές ζώνες, γνωστές και ως νεκρές ζώνες, είναι περιοχές νερού στις οποίες τα επίπεδα οξυγόνου μειώνονται λόγω ρύπανσης από θρεπτικά συστατικά, επηρεάζοντας συχνά σημαντικά την υδρόβια ζωή. Η συνεργασία ολοκλήρωσε πρόσφατα μια επιτυχημένη δεύτερη φάση του έργου, βασιζόμενη σε μια προηγούμενη φάση και προχωρώντας πέρα από την απόδειξη της ιδέας για την ανάπτυξη πολλαπλών μη επανδρωμένων επιφανειακών οχημάτων (USV) SP-48. «Είναι μια πολύ απαιτητική σε εργασία, πρόχειρη επιχείρηση με ένα μεγάλο ερευνητικό σκάφος», δήλωσε ο James Thompson στο USM. «Προσεγγίσαμε αυτό από την άποψη των μη επανδρωμένων οχημάτων. Μπορούμε να το εκσυγχρονίσουμε με τα εργαλεία που είναι διαθέσιμα τώρα».

Το φορτηγό των USV

Το αστέρι αυτής της έρευνας είναι το SP-48 USV, το οποίο σημαίνει «ηλιακή ενέργεια» και «4,8 μέτρα». Με μήκος περίπου 4,5 μέτρα και βάρος περίπου 280 κιλά, μπορεί να λειτουργεί 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα για μήνες χάρη σε μια μεγάλη σειρά ηλιακών πάνελ στο κατάστρωμα που φορτίζουν μια εσωτερική μπαταρία. Έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί τόσο κοντά όσο και στα ανοιχτά της ακτής. Στο πλαίσιο αυτού του έργου, το USV θα μπορούσε να φτάσει σε απόσταση έως και πέντε μιλίων ή και 40 μιλίων. «Το ίδιο το σκάφος είναι στην πραγματικότητα μια πλατφόρμα για τη συλλογή δεδομένων», δήλωσε ο Hobie Boeschenstein, διευθυντής λειτουργιών και επιχειρηματικής ανάπτυξης στη SeaTrac. «Το σκεφτόμαστε ως ένα φορτηγό, όπου η ίδια η πλατφόρμα δεν είναι και τόσο χρήσιμη για κανέναν. Έχει να κάνει πραγματικά με τα ωφέλιμα φορτία που μπορείτε να τοποθετήσετε σε αυτό και με τη δυνατότητα γρήγορης αντικατάστασης αυτών και τοποθέτησης διαφορετικών αντικειμένων - είτε μονάδες σόναρ είτε αισθητήρες ποιότητας νερού ή ωκεανογραφικούς αισθητήρες».

Το SeaTrac SP-48 USV. Πίστωση: USM/SeaTrac Systems

Σε όλες τις φάσεις του έργου, οι SeaTrac και USM είδαν αλλαγές στο USV ώστε να γίνει πιο ευέλικτο και ισχυρό στις δυνατότητες συλλογής δεδομένων. «Ειδικά για αυτό», πρόσθεσε ο Boeschenstein, «η μεγάλη προσπάθεια ανάπτυξης από την πλευρά μας αφορούσε το βαρούλκο και τη δυνατότητα υποστήριξης της δημιουργίας προφίλ μέχρι τον πυθμένα της θάλασσας. Καθ' όλη τη διάρκεια του έργου, η προσθήκη πρόσθετων επικοινωνιών όπως το Starlink Mini ήταν μια μεγάλη προσθήκη από την αρχή που ξεκινήσαμε».

«Είναι τόσο ευέλικτο όσον αφορά το τι μπορούμε να του βάλουμε. Δοκιμάσαμε κάμερες, δοκιμάσαμε κάποια τεχνολογία αποφυγής συγκρούσεων - πολλά διαφορετικά πράγματα ενώ εκτελούσαμε αυτήν την αποστολή υποξίας. Αυτό δείχνει πόσο ευέλικτο είναι αυτό το σκάφος», επιβεβαίωσε ο Thompson. «Ένα από τα άλλα πράγματα που συλλέξαμε, απλώς επειδή μπορούσαμε, ήταν τα ακουστικά δεδομένα ρεύματος. Είναι πραγματικά ένα φορτηγό. Μπορείτε να βάλετε τόσα πολλά πράγματα στο σκάφος και με το μέγεθος της μπαταρίας και την ικανότητα να παράγει τόσο μεγάλη ηλιακή ενέργεια, είναι κάτι που αλλάζει τα δεδομένα».

Φάση Ένα

Η πρώτη φάση του έργου χρησίμευσε κυρίως ως απόδειξη της ιδέας, δοκιμάζοντας τα οχήματα και τους διάφορους αισθητήρες και την ικανότητά τους να συλλέγουν τα απαραίτητα δεδομένα. «Μάθαμε πολλά από αυτά που χρειαζόμασταν να τροποποιήσουμε για να κάνουμε αυτή τη λειτουργία», είπε ο Thompson. «Και τα καταφέραμε, και πολύ καλύτερα από ό,τι περιμέναμε».

Η λογική εξέλιξη ήταν η δοκιμή ερευνών μεγαλύτερης διάρκειας, η αξιολόγηση διαφορετικών διατάξεων αισθητήρων και η ταυτόχρονη λειτουργία πολλαπλών USV σε διαφορετικές διαμορφώσεις. «Αυτό που μάθαμε», πρόσθεσε ο Thompson, «ήταν ότι το όχημα μπορούσε να παράγει όλη αυτή την ισχύ, αλλά δεν την εκμεταλλευόμασταν πλήρως». Άλλαξαν τους αισθητήρες ώστε να τροφοδοτούνται ή να επαναφορτίζονται από το USV, κάτι που έκανε σημαντική διαφορά όσον αφορά την ποσότητα δεδομένων που μπορούσαν να συλλέξουν. «Δεν χρειαζόταν να περιοριστούμε με βάση την ισχύ που ήταν διαθέσιμη στους αισθητήρες. Μπορούσαμε να συλλέγουμε όλο και περισσότερα δεδομένα. Και αυτό έδειξε το πλεονέκτημα του να μπορούμε όχι μόνο να πετυχαίνουμε τις συγκεκριμένες συντεταγμένες που θα πετυχαίνουμε κάθε χρόνο, αλλά και να βρίσκουμε πού αλλάζει αυτό το όριο της υποξίας, εστιάζοντας σε αυτό λαμβάνοντας επιπλέον δείγματα δεδομένων».

Η SeaTrac συμμετείχε ενεργά στην αρχή αυτού του έργου, αναπτύσσοντας νέα χαρακτηριστικά όπως ένα βαρούλκο για τη μεταφορά αισθητήρων από την επιφάνεια στον πυθμένα. «Ένα πολύ σημαντικό μέρος της χαρτογράφησης της υποξίας είναι η προσέγγιση σε απόσταση ενός μέτρου από τον πυθμένα», δήλωσε ο Boeschenstein. «Διαφορετικά, θα χάσετε σημαντικά δεδομένα. Μια μεγάλη αναπτυξιακή προσπάθεια από μέρους μας ήταν, πώς διασφαλίζουμε ότι ο πομπός φτάνει μέχρι εκεί κάτω; Συνεργαστήκαμε στενά με την ομάδα USM για να εξετάσουμε μερικούς διαφορετικούς τρόπους για να το κάνουμε αυτό και τελικά καταλήξαμε σε ένα σύστημα που θα χρησιμοποιούσε ένα σύνολο παραμέτρων λογισμικού για να ανιχνεύει χαλαρότητα στη γραμμή και να γνωρίζει ότι, "Εντάξει, ο ήχος είναι στην πραγματικότητα στον πυθμένα. Δεν μπορεί να πλησιάσει περισσότερο από αυτό."

«Όταν αναζητούμε τη μεγαλύτερη επίδραση της υποξίας στα αλιευτικά οικοσυστήματα, εξετάζουμε αυτό το στρώμα που βρίσκεται ακριβώς εκεί κοντά στον πυθμένα, όπου βρίσκονται όλα τα πλάσματα που ζουν στον πυθμένα. Προφανώς, αν δεν μπορούν να κολυμπήσουν προς τα πάνω και να βγουν από αυτό, τότε αυτό θα επηρεάσει τον μεταβολισμό και την παραγωγικότητά τους», εξήγησε ο Thompson.

«Μπορώντας να μεταφέρουμε τους αισθητήρες μέχρι κάτω, μέχρι τον πυθμένα, γνωρίζοντας με βεβαιότητα ότι τους έχουμε βάλει σε αυτό το κάτω στρώμα νερού, και στη συνέχεια να μπορούμε να το δούμε σε πραγματικό χρόνο και να πούμε: "Ναι, εξακολουθούμε να ανιχνεύουμε χαμηλό οξυγόνο εδώ, να κινηθούμε νοτιότερα και να δούμε αν μπορούμε να βρούμε εκείνη την άκρη όπου επιστρέφουμε σε οξυγονωμένο νερό". Ήταν απολύτως κρίσιμο να μπορέσουμε να προσαρμόσουμε την αποστολή εν κινήσει και να γνωρίζουμε ότι λαμβάνουμε τα σχετικά δεδομένα.»

Ένα SP-48 στο νερό. Πίστωση: USM/SeaTrac Systems

Θέα που καταγράφηκε από το SP-48 εν πλω, συμπεριλαμβανομένων κακοκαιρίας και παρατήρησης άγριας ζωής. Πίστωση: USM/SeaTrac Systems

Φάση Δεύτερη και Επόμενο

Κατά τη διάρκεια της δεύτερης φάσης, η USM ανέπτυξε ταυτόχρονα πολλά SP-48, υπό την επίβλεψη ενός μόνο χειριστή από την ξηρά. Η ομάδα συνέλεξε 123 επαληθευμένα σημεία δεδομένων υποξίας χάρη στην εκτεταμένη αντοχή, την ταχεία προσαρμοστική δειγματοληψία και την αξιοπιστία της πλατφόρμας, ακόμη και σε δύσκολες συνθήκες του Κόλπου που περιελάμβαναν ένα τροπικό καιρικό σύστημα που διέρχεται από την περιοχή λειτουργίας.

«Ένα από τα πράγματα προς τα οποία πραγματικά κινούμαστε κάθε φορά είναι η βελτίωση της ενσωμάτωσης των αισθητήρων και η βελτίωση αυτής της ροής δεδομένων», δήλωσε ο Thompson. «Η πρώτη φάση αφορούσε πολλές δοκιμές που μπορούν να γίνουν. Η δεύτερη φάση βελτίωσε τον τρόπο με τον οποίο γινόταν αυτό. Αυτό περιελάμβανε πράγματα όπως η ταχύτερη διεκπεραίωση της ροής δεδομένων, η μεταφορά αυτών των δεδομένων από τον αισθητήρα στο σκάφος και από το σκάφος μέσω δορυφόρου στο σύστημά μας, ώστε να μπορούμε να τα μοιραζόμαστε με την NOAA σε πραγματικό χρόνο καθώς πλέουμε».

Μια άλλη διαφορά, επεσήμανε ο Thompson, ήταν ότι οι αισθητήρες αναπτύσσονταν με τον δικό τους ρυθμό, πράγμα που σημαίνει ότι νέα χαρακτηριστικά θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν για την περαιτέρω προώθηση της συλλογής δεδομένων. «Η AML Oceanographic, η εταιρεία που κατασκευάζει το όργανο δημιουργίας προφίλ, έχει αναπτύξει μια δυνατότητα ασύρματης φόρτισης για αυτό», πρόσθεσε ο Boeschenstein. «Παραδοσιακά, θα έπρεπε να εξισορροπήσουμε, 'Θα ενεργοποιήσουμε τον πομποδέκτη, θα συλλέξουμε τα δεδομένα, θα τα απενεργοποιήσουμε και στη συνέχεια θα τον θέσουμε ξανά σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας', κάτι που θα το έκανε δύσκολο και τελικά θα εξαντλούσε την μπαταρία. Περιορίζει αυτό που μπορείτε να κάνετε με αυτήν». Όταν η AML Oceanographic έθεσε σε εφαρμογή αυτή τη νέα δυνατότητα, η ομάδα του USM δεν χρειάστηκε να αντικαταστήσει νέες μπαταρίες στη μέση, δημιουργώντας τη δυνατότητα για εκτεταμένες έρευνες σε μεγαλύτερες διάρκειες.

«Είναι επίσης και ζήτημα ασφάλειας», πρόσθεσε ο Thompson. «Απομακρύνετε τους ανθρώπους από το να χρειάζεται να κάνουν σέρβις σε ένα όχημα στη θάλασσα, κάτι που από μόνο του αποτελεί επισφαλή στάση».

Παρακολούθηση των διαδρομών των USV. Πίστωση: USM/SeaTrac Systems

SeaTrac SP-48 στον Κόλπο. Πίστωση: USM/SeaTrac Systems

Κοιτάζοντας μπροστά, η ομάδα ελπίζει σε ένα ακόμη καλοκαίρι συλλογής δεδομένων, με στόχο να προσθέσει ένα τρίτο SP-48 στη σειρά. Από την πλευρά της επεξεργασίας δεδομένων, οι ερευνητές συνεχίζουν να αναπτύσσουν αυτοματοποίηση ώστε να συμπεριλάβουν πρόσθετα βήματα ποιοτικού ελέγχου και επιδιώκουν να προσθέσουν ένα τρισδιάστατο μοντέλο διαλυμένου οξυγόνου για ολόκληρη την περιοχή έρευνας.

Μια τρίτη φάση θα προωθούσε το έργο των φάσεων ένα και δύο, συλλέγοντας κρίσιμα δεδομένα υποξίας και επισημαίνοντας τη χρήση των USV στη συλλογή και παρακολούθηση δεδομένων στην ανοιχτή θάλασσα. Επιπλέον, αυτό το έργο παρουσιάζει κάτι που παρατηρείται λιγότερο συχνά - πώς οι σταδιακές τεχνολογικές ενημερώσεις, όπως η ασύρματη φόρτιση, η διαχείριση ενέργειας και το ωφέλιμο φορτίο αισθητήρων, μπορούν να ενσωματωθούν σε πραγματικό χρόνο για τον εκσυγχρονισμό και την προώθηση της έρευνας.

Χόμπι Μποεσενστάιν. Πίστωση: USM/SeaTrac Systems

Τζέιμς Τόμσον. Πίστωση: USM/SeaTrac Systems

Δείτε ολόκληρο το βίντεο στο Marine Technology TV.