I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell'Università del Colorado Boulder hanno dimostrato un nuovo cellulare, sistema terrestre in grado di scansionare e mappare i pennacchi di gas atmosferici su distanze chilometriche.

Il sistema utilizza uno strumento laser sicuro per gli occhi per inviare luce che "pettina" l'aria a un multi-elicottero volante e analizza i colori della luce assorbita lungo il percorso per identificare le tracce di gas in tempo quasi reale.

Il sistema "pettine ed elicottero" può essere utile per scansionare perdite nei giacimenti di petrolio e gas, studiare la miscelazione delle emissioni delle auto e di altri gas nel confine tra la superficie terrestre e il successivo strato dell'atmosfera, o, con aggiornamenti programmati, rilevare inquinanti o minacce chimiche e le loro fonti.

Come descritto in ottica , i ricercatori hanno usato la luce del pettine per misurare l'anidride carbonica, metano e vapore acqueo, gas serra che riscaldano l'atmosfera, lungo un percorso di andata e ritorno di 2 chilometri (1,24 miglia) tra un telescopio sul tetto di un laboratorio del NIST Boulder e un retroriflettore montato su un piccolo, aereo senza equipaggio. Il multi-elicottero si librava in punti selezionati per misurare i gas lungo un percorso orizzontale e a varie altitudini fino a 120 metri (400 piedi). I voli ad alta quota sono tecnicamente fattibili ma attualmente limitati dalle regole del volo dei veicoli aerei senza equipaggio.

I risultati sono stati persino migliori del test del NIST del 2014 sul sistema di pettinatura laser senza multi-elicottero. Per esempio, il nuovo sistema ha misurato i livelli di anidride carbonica di 1 parte per milione in soli 60 secondi, rispetto ai 200 secondi precedenti.

"Ora possiamo fare lo stesso tipo di misurazioni atmosferiche, con una sensibilità un po' più alta, con un sistema che possiamo puntare dove vogliamo, "La chimica fisica del NIST Kevin Cossel ha detto. "La tecnologia e la sensibilità sono promettenti".

Lo strumento laser utilizza due pettini di frequenza:strumenti di misurazione costituiti da migliaia di frequenze precise o colori di luce, come i denti di un pettine per capelli, per identificare i gas in base alla quantità di colori specifici di luce assorbita. Il test del 2014 ha mostrato che la tecnica del doppio pettine può precisamente, rilevare in modo riproducibile i gas in traccia nell'atmosfera. In quel lavoro, la luce del pettine inviata dal telescopio è stata restituita da uno specchio montato su una montagna vicina. È necessario un riflettore per restituire la luce per rafforzare il segnale prima dell'analisi da parte di un rivelatore al telescopio.

L'ultima versione dello strumento presenta numerosi aggiornamenti, compreso più potere, un telescopio migliorato e un retroriflettore leggero (uno specchio 3-D specializzato). I ricercatori del NIST hanno anche reso il sistema a pettine più compatto; ora ha le dimensioni di un fornello da cucina, quindi un veicolo potrebbe trasportarlo. Questi cambiamenti, oltre all'uso del multi-elicottero personalizzato, rendere l'intero sistema più potente e mobile.

Per tutta la loro esperienza laser, Gli scienziati del NIST hanno scoperto di aver bisogno di collaborare con gli esperti di volo di velivoli senza pilota del team Integrated Remote and In Situ Sensing (IRISS) dell'Università del Colorado.

"Volare queste cose si è rivelato impegnativo, " Nathan Newbury del NIST ha spiegato. "Non è così facile pilotare multi-elicotteri, devono essere pilotati da qualcuno abile, oppure la cosa vaga fuori rotta, o peggio, crash. Chiunque ne abbia comprato o ricevuto uno per divertimento lo sa."

Il multi-elicottero utilizzato nell'esperimento era dotato di un catarifrangente e di strumenti per la misurazione della posizione, temperatura e pressione atmosferica, e lunghezza del percorso. Il sistema del telescopio deve seguire il movimento del retroriflettore mentre il multi-elicottero si muove e si libra. L'intero sistema recupera le concentrazioni di gas ogni 10 secondi.

Il sistema pettine ed elicottero integra la tecnologia convenzionale. I sensori di punti mobili a terra possono creare mappe regionali ma devono essere guidati in un veicolo o pilotati su un aereo. Gli strumenti satellitari possono rilevare i gas atmosferici a distanza con una copertura globale, ma campionare regioni specifiche sulla Terra raramente e solo con una risoluzione spaziale grossolana.

Nel futuro prossimo, i ricercatori hanno in programma di utilizzare il sistema a pettine volante per studiare la miscelazione nello strato limite della Terra, una delle principali fonti di incertezza nei modelli atmosferici, e per scansionare le emissioni dagli impianti di petrolio e gas, che può portare alla formazione di ozono.

Il sistema "pettine ed elicottero" rileva attualmente le firme di gas nella banda del vicino infrarosso dello spettro. I ricercatori del NIST sperano di estendere tale copertura al medio infrarosso, che aumenterebbe il numero di gas rilevabili e consentirebbe applicazioni come la scansione di pericoli e minacce chimiche. La luce laser in entrambe le bande non danneggerà gli occhi, il che significa che è sicuro per gli utenti e gli astanti. Inoltre, tempi di volo e percorsi più lunghi dovrebbero essere possibili man mano che la tecnologia dei velivoli senza pilota avanza. Il gruppo NIST ha già dimostrato che sistemi simili possono operare su percorsi molto più lunghi fino a 12 km (7,5 miglia) in un viaggio di andata e ritorno.