Forskere indsamler mere præcist vejr, klimadata med hjælp fra ubemandet luftsystem

Sidste uge, forskere ved Sandia National Laboratories fløj med en fastgjort ballon og et ubemandet luftsystem, i daglig tale kendt som en drone, sammen for første gang for at få arktiske atmosfæriske temperaturer med bedre placeringskontrol end nogensinde før. Ud over at give mere præcise data til vejr- og klimamodeller, at være i stand til effektivt at betjene UAS'er i Arktis er vigtigt for den nationale sikkerhed.

"Betjening af UAS'er i fjernbetjeningen, barske miljøer i Arktis vil give muligheder for at hærde teknologierne på måder, der er direkte overførbare til behovene for national sikkerhed med hensyn til robusthed og pålidelighed, " sagde Jon Salton, en Sandia robotchef. "Ultimativt, at integrere de specialiserede operationelle og sansebehov, der kræves til arktisk forskning, vil overføres til en række nationale sikkerhedsbehov."

Oplysninger om atmosfærens temperatur er afgørende for at forudsige vejret, overvågning af hårdt vejr og forbedring af klimamodeller. I modsætning til tøjrede balloner eller vejrballoner, UAS'er kræver ikke helium, en ikke-vedvarende ressource, og kan tage fart med mindre forberedelse. Dermed, de kan lanceres fra mere fjerntliggende steder. De fleste lufthavne indsamler allerede atmosfæriske temperaturprofiler to gange om dagen, men at skifte til UAS'er med distribuerede temperatursensorer ville være bedre, fordi de ville være genbrugelige og kunne flyve hyppigere, sagde Sandia atmosfærisk videnskabsmand Dari Dexheimer.

Balloner kan flyve i timevis, UAS kan flyve til præcise steder

Siden 2015 har Dexheimer har regelmæssigt fløjet bundede balloner ud af Sandias dedikerede arktiske luftrum på Oliktok Point, det nordligste punkt af Alaskas Prudhoe Bay. Disse 13 fod høje balloner bærer distribuerede temperatursensorer til at indsamle arktiske atmosfæriske temperaturprofiler, eller luftens temperatur i forskellige højder over jorden, blandt andre atmosfæriske sensorer. Testen tidligere på måneden var første gang, Sandia har fløjet en oktokopter på himlen over Oliktok Point.

"UAS og ballonen supplerer virkelig hinanden ved, at UAS har en kortere flyvetid, men det er meget mere rumligt forskelligartet. Den tøjrede ballon kan holde sig oppe i lang tid, giver dig en masse data, men det er ikke let mobilt, " sagde Dexheimer. Ballonen blæses af vinden, til tøjrens grænser, men UAS kan dirigeres til præcise GPS-koordinater.

Tidligere på sommeren Dexheimer og UAS flyveteam, ledet af Diane Callow, testet det fælles UAS-ballon setup på Sandia. De overvandt en række tekniske udfordringer, herunder at finde ud af, hvordan man bedst sikrer og ruller det lange distribuerede temperatursensorkabel på fire fodboldbaner ud, mens de sørgede for, at det ikke bliver viklet ind i UAS's rotorer.

De udarbejdede også logistikken for at betjene ballonen og systemet på samme tid. For at undgå at støde ind i hinanden eller sammenfiltre kablerne, ballonen var tøjret i modvind, og UAS holdt sig mindst 100 fod væk fra den.

Seje sensorer til cool videnskab

Den distribuerede temperatursensor er et englehår-pastatykt fiberoptisk kabel. Ved at se, hvordan lyset bøjer sig i kablet, Dexheimer kan beregne temperaturen på den del af skyen. Denne måling har en opløsning på 1 meter, og hun sender en lyspuls hvert 30. sekund. Dette giver Dexheimer og klimamodelbyggere et hidtil uset detaljeringsniveau om atmosfærens temperatur.

Ud over temperaturføleren, den tøjrede ballon bærer specielle superkølede flydende vandsensorer. Superafkølet flydende vand er rent vand, der forbliver en væske under frysepunktet, fordi det ikke har noget at krystallisere på. Det er vigtigt, fordi skyer, der indeholder meget underafkølet flydende vand, opfører sig anderledes end normale skyer, hængende i dagevis og endda fungere som et tæppe for at varme overfladen nedenunder. Bedre forståelse af disse former for blandet fase skyer er vigtig for mere nøjagtige klimamodeller.

Sensorerne er vibrerende ledninger, hvorpå superkølet flydende vand kan fryse. Efterhånden som isen bygger sig op, vibrationen aftager, og dette fortæller forskerne, hvor meget underkølet flydende vand, der er til stede i den del af skyen. Til projektets næste skridt, holdet håber at tilføje disse superkølede flydende vandsensorer til en fastvinget UAS og flyve UAS ind i skyerne. De håber at se, hvor meget UAS iser op, bestemme, hvordan man kan afbøde virkningerne af isdannelse og til sidst indsamle nyttige data om skyforhold med mere rumlig kontrol, end ballonen kunne få.

Både skytemperaturen og indholdet af underkølet flydende vand kan sammenlignes mellem UAS og ballonen samt med data fra jordbaserede atmosfæriske strålingsmålingssensorer også ved Oliktok Point. Sandia administrerer området ARM North Slope of Alaska som en del af ARM Climate Research Facility, en national videnskabelig brugerfacilitet finansieret gennem Department of Energy's Office of Science.

"Vores evne til at drive UAS'er såvel som bundne ballonoperationer i Arktis, og vores evne til at kombinere disse målinger og computermodellering på innovative måder, giver os mulighed for virkelig at bruge Oliktok-faciliteten til den nationale sikkerhed og videnskabssamfund, " sagde Lori Parrott, leder af atmosfæriske videnskaber hos Sandia.

Sandia er ikke den eneste institution, der bruger Oliktok Point til at teste UAS'er under ekstreme arktiske forhold; andre institutioner flyver også UAS-systemer på Oliktok. For eksempel, University of Alaska Fairbanks' Alaska Center for Unmanned Aircraft Systems Integration fløj sine UAS'er ved Oliktok Point denne sommer gennem en samarbejdsaftale om forskning og udvikling med Sandia. De har en testfacilitet ved Toolik Lake omkring 130 miles syd, men adgangen til det begrænsede luftrum Sandia forvalter over Beauforthavet ved Oliktok er uvurderlig, sagde Parrott.

Drøftelser er i gang med andre potentielle brugere på tværs af flere føderale agenturer. Parrott sagde, "Det 700 kilometer lange begrænsede luftrum, som Sandia administrerer for DOE, har strategisk betydning, fordi det kan give forskere mulighed for at udføre eksperimenter og øvelser over arktiske farvande uden risiko for menneskestyrede fly. Flyvninger til eftersøgnings- og redningsøvelser, dataindsamling om is eller atmosfæriske forhold, eller testteknologi, ellers ville det være meget vanskeligt at udføre."

Projektet, der kombinerer UAS'er og bundne balloner, blev støttet af Sandia intern finansiering.