La settimana scorsa, i ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno pilotato un pallone legato e un sistema aereo senza equipaggio, colloquialmente noto come drone, insieme per la prima volta per ottenere le temperature atmosferiche artiche con un controllo della posizione migliore che mai. Oltre a fornire dati più precisi per i modelli meteorologici e climatici, essere in grado di utilizzare efficacemente gli UAS nell'Artico è importante per la sicurezza nazionale.

"UAS operativi in ​​remoto, gli ambienti difficili dell'Artico forniranno opportunità per rafforzare le tecnologie in modi che sono direttamente trasferibili alle esigenze della sicurezza nazionale in termini di robustezza e affidabilità, "ha detto Jon Salton, un responsabile della robotica Sandia. "In definitiva, l'integrazione delle esigenze operative e di rilevamento specializzate richieste per la ricerca nell'Artico si trasferirà a una varietà di esigenze di sicurezza nazionale".

Le informazioni sulla temperatura dell'atmosfera sono fondamentali per prevedere il tempo, monitorare le condizioni meteorologiche avverse e migliorare i modelli climatici. A differenza dei palloncini legati o dei palloni meteorologici, Gli UAS non richiedono elio, una risorsa non rinnovabile, e può decollare con meno preparazione. Così, possono essere lanciati da postazioni più remote. La maggior parte degli aeroporti raccoglie già due volte al giorno i profili della temperatura atmosferica, ma sarebbe meglio passare a UAS con sensori di temperatura distribuiti perché sarebbero riutilizzabili e potrebbero volare più frequentemente, ha detto lo scienziato atmosferico Sandia Dari Dexheimer.

I palloncini possono volare per ore, Gli UAS possono volare in posizioni precise

Dal 2015, Dexheimer ha regolarmente trasportato palloni vincolati fuori dallo spazio aereo artico dedicato a Sandia su Oliktok Point, il punto più settentrionale della Prudhoe Bay in Alaska. Questi palloni alti 13 piedi trasportano sensori di temperatura distribuiti per raccogliere i profili della temperatura atmosferica artica, o la temperatura dell'aria a diverse altezze dal suolo, tra gli altri sensori atmosferici. Il test all'inizio di questo mese è stata la prima volta che Sandia ha pilotato un ottocopter nel cielo sopra Oliktok Point.

"L'UAS e il pallone si completano davvero a vicenda in quanto l'UAS ha un tempo di volo più piccolo, ma è molto più spazialmente diversificato. Il palloncino legato può rimanere alzato a lungo, dandoti molti dati, ma non è facilmente mobile, " disse Dexheimer. Il pallone è soffiato dal vento, ai limiti del guinzaglio, ma l'UAS può essere indirizzato a coordinate GPS precise.

All'inizio di questa estate, Dexheimer e la squadra di volo UAS, guidato da Diane Callow, testato la configurazione congiunta UAS-palloncino a Sandia. Hanno superato una serie di sfide tecniche, tra cui capire come proteggere e srotolare al meglio il cavo del sensore di temperatura distribuito lungo quattro campi da calcio, assicurandosi che non si impigli nei rotori dell'UAS.

Hanno anche elaborato la logistica per far funzionare contemporaneamente il pallone e il sistema. Per evitare di urtare l'un l'altro o di aggrovigliare i cavi, il pallone è stato legato sottovento e l'UAS è rimasto ad almeno 100 piedi di distanza da esso.

Fantastici sensori per una scienza fantastica

Il sensore di temperatura distribuito è un cavo in fibra ottica a pelo d'angelo. Vedendo come la luce si piega nel cavo, Dexheimer può calcolare la temperatura di quella parte della nuvola. Questa misurazione ha una risoluzione di 1 metro, e invia un impulso luminoso ogni 30 secondi. Ciò fornisce a Dexheimer e ai modellisti climatici un livello di dettaglio senza precedenti sulla temperatura dell'atmosfera.

Oltre al sensore di temperatura, il pallone legato trasporta speciali sensori di acqua liquida super raffreddata. L'acqua liquida superraffreddata è acqua pura che rimane liquida al di sotto del punto di congelamento perché non ha nulla su cui cristallizzare. È importante perché le nuvole che contengono molta acqua liquida super raffreddata si comportano in modo diverso dalle nuvole normali, rimanendo in giro per giorni e addirittura fungendo da coperta per riscaldare la superficie sottostante. Una migliore comprensione di questo tipo di nuvole a fase mista è importante per modelli climatici più accurati.

I sensori sono cavi vibranti sui quali l'acqua liquida super raffreddata può congelare. Mentre il ghiaccio si accumula, la vibrazione rallenta, e questo dice ai ricercatori quanta acqua liquida super raffreddata è presente in quella parte della nuvola. Per i prossimi passi del progetto, il team spera di aggiungere questi sensori di acqua liquida super raffreddata a un UAS ad ala fissa e di far volare l'UAS tra le nuvole. Sperano di vedere quanto si congelano gli UAS, determinare come mitigare gli effetti della formazione di ghiaccio ed eventualmente raccogliere dati utili sulle condizioni del cloud con un controllo spaziale maggiore di quello che potrebbe ottenere il pallone.

Sia la temperatura della nuvola che il contenuto di acqua liquida super raffreddata possono essere confrontati tra l'UAS e il pallone, nonché con i dati dei sensori di misurazione della radiazione atmosferica a terra anche a Oliktok Point. Sandia gestisce il sito ARM North Slope of Alaska come parte dell'ARM Climate Research Facility, una struttura scientifica nazionale per gli utenti finanziata dall'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia.

"La nostra capacità di eseguire UAS e operazioni di mongolfiere nell'Artico, e la nostra capacità di combinare tali misurazioni e modelli al computer in modi innovativi, ci consente di utilizzare davvero la struttura Oliktok per la sicurezza nazionale e le comunità scientifiche, " disse Lori Parrott, dirigente di scienze atmosferiche presso Sandia.

Sandia non è l'unica istituzione che utilizza Oliktok Point per testare gli UAS in condizioni artiche estreme; anche altre istituzioni pilotano sistemi UAS a Oliktok. Per esempio, l'Alaska Center for Unmanned Aircraft Systems Integration dell'Università dell'Alaska Fairbanks ha pilotato i suoi UAS a Oliktok Point questa estate attraverso un accordo di ricerca e sviluppo cooperativo con Sandia. Hanno una struttura per i test a Toolik Lake a circa 130 miglia a sud, ma l'accesso allo spazio aereo ristretto che Sandia gestisce sul Mare di Beaufort a Oliktok è inestimabile, disse Parrot.

Sono in corso discussioni con altri potenziali utenti in più agenzie federali. Parrot ha detto, "Lo spazio aereo ristretto di 700 miglia che Sandia gestisce per il DOE ha un'importanza strategica perché può consentire agli scienziati di condurre esperimenti ed esercitazioni sulle acque artiche senza rischi per gli aerei a pilotaggio umano. Voli per esercitazioni di ricerca e salvataggio, raccolta dati su ghiaccio o condizioni atmosferiche, o tecnologia di prova, sarebbe altrimenti molto difficile da condurre."

Il progetto che combina UAS e palloncini legati è stato sostenuto da finanziamenti interni di Sandia.