Su una pista erbosa appena fuori Madison, Grant Petty effettua gli ultimi controlli sul suo aereo con la struttura a scheletro. Una volta pronto, preme l'acceleratore e barcolla in avanti. Dopo qualche centinaio di metri, l'aereo ultraleggero è in volo e sale costantemente, lo scenario che si miniaturizza sotto i piedi di Petty. Alla fine raggiungerà una velocità di crociera di circa 40 mph.

Petty è un professore di scienze atmosferiche presso l'Università del Wisconsin-Madison, e questo volo è più di un giro di piacere per hobbisti. Fa parte di un progetto di ricerca volto a comprendere meglio l'atmosfera terrestre. Gli strumenti fissati alle ali e alla cabina di pilotaggio dell'aereo raccolgono dati atmosferici mentre è in volo, raccogliere dati da una parte dell'atmosfera terrestre nota come strato limite.

"L'ultraleggero, gli aerei a bassa quota possono catturare ciò che sta accadendo nella bassa atmosfera dove c'è gran parte della turbolenza, "dice Ankur Desai, uno dei collaboratori di Petty al progetto nel Dipartimento di Scienze dell'Atmosfera e dell'Oceania (AOS). "È la chiave per comprendere l'accoppiamento della superficie con l'atmosfera in modo sperimentale".

L'accoppiamento è il processo di scambio di calore e umidità tra la superficie terrestre e l'atmosfera. Gli scienziati studiano questo scambio perché fornisce una finestra sul nostro sistema climatico. L'aereo ultraleggero può fornire una piattaforma ideale per misurarlo poiché può scrutare in parti dell'atmosfera e acquisire misurazioni altrimenti non possibili con strumenti come i satelliti, strumenti a terra, o velivoli ad alta velocità, come l'ER-2 della NASA.

"L'attrezzatura di bordo include strumenti simili a quelli che potresti trovare in una stazione meteorologica domestica:strumenti come un anemometro, termometro, sensori di pressione e umidità, " dice Desai. "Altre apparecchiature ci permettono di misurare i flussi d'acqua, o evaporazione dalla superficie, oltre a raccogliere dati su terreni e proprietà di superficie."

Il progetto UW Ultralight si è concretizzato nell'estate del 2017, quando Petty (che è il ricercatore principale del progetto) e il ricercatore dell'UW-Madison Space Science and Engineering Center (SSEC) Jonathan Thom si sono messi al lavoro per assemblare il velivolo ultraleggero Zigolo MG12. Dopo tre settimane di accurato assemblaggio manuale, Petty ha effettuato il primo volo di prova nell'agosto 2017, con un paio di "crow hop" – brevi decolli e atterraggi immediati – finché non si è sentito a suo agio a salire più in alto.

Petty è attualmente l'unico pilota del progetto, ma spera di espandere il programma per includere altri piloti esperti che possono aiutare a raccogliere i dati atmosferici necessari agli scienziati. Il gruppo, che comprende anche il Professore dell'AM Tristan L'Ecuyer, vede l'ultraleggero come un modo per colmare le lacune nella nostra comprensione della fisica atmosferica.

"Sebbene le misurazioni iniziali si concentreranno sugli accoppiamenti terra-atmosfera in Wisconsin, l'obiettivo è alla fine raccogliere un campione diversificato che possa dirci, più in dettaglio, come la superficie interagisce con l'atmosfera, " afferma L'Ecuyer. "Siamo entusiasti della semplicità e della capacità di adattare rapidamente gli strumenti, percorsi di volo, e obiettivi scientifici basati su ciò che stiamo imparando."

L'imbarcazione di solito vola tra 150 a 1, 500 piedi dal suolo e può rimanere in volo per poco più di quattro ore con un pieno di benzina. Pesa circa 485 libbre e può decollare da corto, piste non asfaltate lunghe meno di 200 piedi. Jet di linea commerciale, a confronto, pesare più di 600, 000 sterline e richiedono più di 10, 000 piedi di pista per il decollo.

Però, con una capacità di carico di sole 260 libbre, gli strumenti di bordo pesanti rappresentano una sfida ingegneristica per il progetto. Richiederà ai ricercatori di progettare nuovi strumenti da zero o di riconfigurare la strumentazione precostruita per eliminare il peso in eccesso.

Fortunatamente, SSEC e AOS hanno una lunga storia di progetti aeronautici fai-da-te e costruzione di strumenti, risalente agli anni '50. Petty intende sfruttare questa competenza locale per adattare gli strumenti all'artigianato, compreso il coinvolgimento degli studenti in curricula pratici per il test e la calibrazione degli strumenti. Vede questa come una grande opportunità per coinvolgerli nel campo del telerilevamento.

Il team prevede di convertire alla fine il motore a benzina da 25 cavalli dell'aereo in un motore completamente elettrico attraverso un kit di conversione, che consentirà loro di raccogliere misurazioni accurate dell'inquinamento e del particolato senza interferenze dai gas di scarico. Altri esperimenti includono la misurazione dei tassi di evapotraspirazione sui campi agricoli (il processo mediante il quale l'acqua viene trasferita dal suolo e dalle piante nell'atmosfera), scambio di umidità dai laghi di Madison, e voli invernali sulla superficie ghiacciata del Lago Mendota.

Utilizzando un nuovo tipo di dispositivo di misurazione a infrarossi, l'ultraleggero servirà anche come banco di prova per Polar Radiant Energy della NASA nel Far Infrared Experiment (PREFIRE).

Attualmente in fase di progettazione, PREFIRE coinvolgerà i CubeSats, piccoli satelliti delle dimensioni di una pagnotta di pane, per raccogliere dati sull'Artico e misurare le frequenze nella parte del lontano infrarosso dello spettro elettromagnetico. Ciò consentirà agli scienziati di misurare le emissioni di energia dall'Artico, una parte raramente studiata del ciclo energetico lì, e può essere utilizzato per prevedere meglio la velocità con cui la neve e il ghiaccio dell'Artico si scioglieranno.

Volando transetti invernali sui laghi ghiacciati di Madison, L'Ecuyer afferma che l'ultraleggero verrà utilizzato per raccogliere i dati necessari per la calibrazione e altri studi comparativi durante lo sviluppo del programma PREFIRE.

Raggiungere una quota di picco di 1, 100 piedi., Petty termina il suo volo di prova con una manovra finale, inclinando verso la pista di atterraggio dove l'ultraleggero sfiora il suolo e alla fine si ferma dolcemente. Soddisfatto dei risultati del test, Petty e Thom mettono via l'imbarcazione in un capannone di stoccaggio.

"Non vediamo l'ora di ospitare ricercatori in tutto il campus che forse non possono permettersi progetti con aerei di fascia alta ma potrebbero utilizzare i dati a nostra disposizione, " Dice Petty. "Siamo entusiasti di vedere cosa viene in mente la gente per idee e usi per questa piattaforma".