La disponibilità di dati ad alta risoluzione raccolti da satelliti miniaturizzati preannuncia un punto di svolta nel rilevamento della Terra e dell'ambiente dallo spazio.
L'avvento dei piccoli, satelliti specializzati chiamati CubeSats stanno trasformando la nostra capacità di monitorare la superficie terrestre e l'impatto dell'attività umana sul pianeta. Gli scienziati di KAUST stanno sperimentando tecniche di ricerca basate sui dati CubeSat e sono entusiasti del potenziale di questi satelliti, in particolare per i settori dell'idrologia e dell'agricoltura di precisione.
Dati satellitari tradizionali utilizzati per la ricerca, raccolti prevalentemente dalle agenzie spaziali governative, presenta alcuni limiti. In genere, i dati forniscono occasionalmente risoluzioni spaziali elevate (immagini dettagliate scattate ogni due settimane) oppure i dati forniscono spesso risoluzioni spaziali basse. In quest'ultimo scenario, dettagli significativi possono essere persi. CubeSat sta cambiando questo paradigma, raccogliendo ogni giorno dettagli spaziali su scala metrica sulle superfici terrestri della Terra.
"Di certo non mi aspettavo che questi vincoli sarebbero stati revocati presto, " dice idrologo e specialista di telerilevamento, Matteo McCabe, di KAUST. "Normalmente, la progettazione satellitare richiede anni:ricerca e sviluppo di sensori, negoziare con un'agenzia spaziale governativa e organismi di finanziamento, prima di vedere la tua missione scelta per il lancio. Quindi, c'è la possibilità che qualcosa possa andare storto al momento del lancio o della distribuzione o che semplicemente non si ottengano i dati di cui si ha bisogno."
I recenti progressi nella tecnologia CubeSat potrebbero cambiare questa situazione. Questi satelliti delle dimensioni di una scatola da scarpe sono relativamente economici da realizzare e lanciare:sono costruiti con componenti e sensori standard e inviati in orbita come carico utile o su piccoli, razzi riutilizzabili. Una volta lanciato, CubeSat orbitano attorno alla Terra ad un'altezza di 350-500 chilometri per un periodo da poche settimane a più di un anno, trasmettere i dati alla Terra (prima di bruciare al rientro nell'atmosfera).
Il grande vantaggio delle loro ridotte dimensioni e del loro costo consente di lanciare 'costellazioni' di CubeSats, la creazione di un nastro trasportatore di satelliti che catturano più immagini ad alta risoluzione a velocità di ripetizione temporale elevate.
"Questo tipo di ripetibilità ad alta risoluzione dallo spazio non è mai stato disponibile prima, " dice McCabe. "Ha il potenziale per trasformare i campi, come la gestione e la risposta alle catastrofi monitorando e dirigendo gli sforzi di soccorso, o per monitorare il cambiamento ambientale identificando la deforestazione illegale in Amazzonia, Per esempio. Se possiamo osservare e identificare i problemi prima, o quando si presentano, possiamo agire per affrontarli".
Il team di McCabe ha recentemente lanciato un progetto in linea con la Vision 2030 del governo saudita che utilizza i dati di CubeSats e altri satelliti per monitorare i problemi di sicurezza idrica e alimentare. Con l'agricoltura che utilizza grandi quantità delle limitate riserve di acqua dolce del Regno, il team utilizzerà questi dati satellitari per monitorare la salute delle colture e i tassi di irrigazione per creare un quadro chiaro dell'uso dell'acqua nel paese. Questo lavoro aiuterà a guidare le future politiche in materia di sicurezza idrica.
Allo stesso modo, lo stato della sicurezza alimentare globale potrebbe essere analizzato utilizzando i dati di CubeSats. Come recentemente dimostrato dal team di McCabe, ora è possibile recuperare quotidianamente immagini di alta qualità di singoli campi, fino a una risoluzione di tre metri. Da questi, le tecniche di apprendimento automatico possono valutare la salute e le condizioni delle singole colture utilizzando misurazioni, come indice di superficie fogliare e tassi di traspirazione. Ciò consentirà previsioni più accurate dei potenziali rendimenti e potrà verificare quando e dove iniziano i problemi, consentendo agli agricoltori di intraprendere le azioni appropriate.
"La tecnologia CubeSat ci consente anche di interrogare i dati per scoprire quali colture vengono coltivate e dove, " aggiunge McCabe. "Nei paesi africani, Per esempio, ci sono pochi documenti che mostrano ciò che ogni agricoltore coltiva nel suo piccolo pezzo di terra. Queste informazioni potrebbero passare in database di rilevanza globale per aiutare ad affrontare i problemi di sicurezza alimentare monitorando l'offerta".
I CubeSat sono attualmente in gran parte costruiti e lanciati da società commerciali, anche se le agenzie spaziali, come la NASA e l'ESA, stanno anche finanziando alcune iniziative CubeSat e nano-sat.
"Ho sviluppato una forte collaborazione con una società CubeSat chiamata Planet, " dice McCabe. "I dati delle loro missioni CubeSat sono a disposizione degli scienziati in tutti i diversi campi per l'analisi:è una risorsa incredibile. Sebbene la maggior parte dei CubeSat non sia costoso, componenti di qualità per la ricerca, il che significa che la calibrazione può essere un problema, stiamo lavorando su una serie di tecniche innovative di apprendimento automatico e modellazione che forniscono dati di qualità per la ricerca per l'osservazione della Terra".
McCabe vede il potenziale di CubeSats nel fornire nuove informazioni sulle scienze ambientali, ma anche nel fornire una piattaforma per la dimostrazione di nuovi sensori e tecnologie nello spazio. Sfruttando questi sistemi emergenti, strategie che affrontano alcune delle principali sfide globali nel settore alimentare, acqua e ambiente potrebbero essere presto implementati.
