Inginerii combină lumina și sunetul pentru a putea vedea sub apă

Inginerii Universității Stanford au dezvoltat o metodă aeriană pentru imagistica obiectelor subacvatice prin combinarea luminii și a sunetului pentru a trece prin bariera aparent de netrecut a apei.

Cercetătorii își imaginează sistemul hibrid optic-acustic ca fiind folosit pentru efectuarea de sondaje biologice marine bazate pe drone, efectuarea de căutări aeriene pe scară largă a navelor și avioanelor scufundate și cartografierea adâncimilor oceanului cu o viteză și un nivel similar de detaliu ca peisajele de suprafață ale Pământului.

“Sistemele radar aeriene și spațiale și bazate pe laser sau LIDAR au reușit să cartografieze peisajele Pământului de zeci de ani. Cu toate acestea, apa de mare este mult prea absorbantă pentru a fi studiată”, a declarat Amin Arbabian, profesor asociat de inginerie electrică la Școala de Inginerie din Stanford.

O limită este pierderea de energie

Oceanele acoperă aproximativ 70% din suprafața Pământului, totuși doar o mică parte din adâncimile lor au fost supuse unor imagini și cartografieri de înaltă rezoluție.

Bariera principală are legătură cu fizica: undele sonore, de exemplu, nu pot trece din aer în apă sau invers fără a pierde cea mai mare parte – mai mult de 99,9% – din energia lor prin reflexie împotriva celuilalt mediu.

Un sistem care încearcă să vadă sub apă folosind undele sonore care călătoresc din aer în apă și înapoi în aer este supus acestei pierderi de energie de două ori – rezultând o reducere de 99,9999% a energiei.

În mod similar, radiația electromagnetică – un termen umbrelă care include semnale luminoase, cu microunde și radar – pierde energie atunci când trece dintr-un mediu fizic în altul, deși mecanismul este diferit de cel pentru sunet.

“Lumina pierde, de asemenea, o anumită energie din reflexie, dar cea mai mare parte a pierderii de energie se datorează absorbției de către apă”, a explicat Aidan Fitzpatrick, student la Stanford în inginerie electrică.

“De altfel, această absorbție este, de asemenea, motivul pentru care lumina soarelui nu poate pătrunde până la adâncimea oceanului și de ce smartphone-ul dvs. – care se bazează pe semnale celulare, o formă de radiație electromagnetică – nu poate primi apeluri sub apă.

Rezultatul tuturor acestor lucruri este că oceanele nu pot fi cartografiate din aer în același mod în care poate fi cartografiat uscatul.

Mărmureanu despre cutremurul care a speriat românii în a treia zi de Paşte. Ce spune despre un seism şi mai puternic

Ce s-a ales de magazinul Victoria, cel care rivaliza cu Unirea și Cocor. Marina Almășan e nostalgică, ce o deranjează cel mai mult

Până în prezent, majoritatea cartografierii subacvatice a fost realizată prin atașarea sistemelor sonare la navele care traversează o anumită regiune de interes. Dar această tehnică este lentă și costisitoare și ineficientă pentru acoperirea suprafețelor mari.

Cum treci peste limitele de cartografiere?

Soluția la această problemă este sistemul de sonare fotoacustic în aer (PASS), care combină lumina și sunetul pentru a trece prin interfața aer-apă.

Ideea a provenit dintr-un alt proiect care a folosit microundele pentru a efectua imagini “fără contact” și caracterizarea rădăcinilor subterane ale plantelor.

Unele dintre instrumentele PASS au fost proiectate inițial în acest scop în colaborare cu laboratorul profesorului de inginerie electrică din Stanford Butrus Khuri-Yakub.

“Dacă putem folosi lumina în aer, unde lumina călătorește bine și sunetul în apă, unde sunetul călătorește bine, putem obține ce e mai bun din ambele lumi”, a spus Fitzpatrick.

Pentru a face acest lucru, sistemul trage mai întâi un laser din aer care este absorbit la suprafața apei. Când laserul este absorbit, acesta generează unde cu ultrasunete care se propagă în jos prin coloana de apă și se reflectă asupra obiectelor subacvatice înainte de a reveni la suprafață.

“Am dezvoltat un sistem suficient de sensibil pentru a compensa o pierdere de această amploare și care permite în continuare detectarea semnalului și imagistica”, a spus Arbabian.

Undele ultrasunete reflectate sunt înregistrate de instrumente numite traductoare. Software-ul este apoi folosit pentru a reconecta semnalele acustice laolaltă ca un puzzle invizibil și pentru a reconstrui o imagine tridimensională a caracteristicii sau obiectului scufundat.

“Similar modului în care lumina se refractă sau se “îndoaie” atunci când trece prin apă sau orice mediu mai dens decât aerul, ultrasunetele se refractă și ele”, a explicat Arbabian.

Sondaje oceanice cu drone

Sistemele sonare convenționale pot pătrunde până la adâncimi de sute până la mii de metri, iar cercetătorii se așteaptă ca sistemul lor să poată ajunge în cele din urmă la adâncimi similare.

Până în prezent, PASS a fost testat în laborator doar într-un recipient de dimensiunea unui acvariu mare de pești.

“Experimentele actuale utilizează apă statică, dar în prezent lucrăm pentru a face față valurilor de apă”, a spus Fitzpatrick. “Aceasta este o provocare, dar credem că este o problemă fezabilă”.

Următorul pas, spun cercetătorii, va fi efectuarea testelor într-un cadru mai larg și, în cele din urmă, într-un mediu în aer liber.