Robotter til at opsnuse olieudslip og algeopblomstring i det isdækkede Arktis

Bundet i sneudstyr og svingende en motorsav, et hold ingeniører skar en rektangulær blok fra den faste is under fødderne, udskærer en indgang til deres undervandsrobot. De slog det torpedoformede køretøj, ved navn Polaris, ind i det mørke hul, der er skåret ud af overfladen af ​​Bog Lake, Maine, og det gled glat i vandet. Feltforsøget - et samarbejde mellem MBARI og Woods Hole Oceanographic Institute (WHOI) - markerede første gang et MBARI langtrækkende autonomt undervandsfartøj (LRAUV) nogensinde havde rejst under en indlandsis. Men det bliver ikke den sidste – Polaris eller lignende robotter kan i sidste ende blive brugt til at opsnuse olieudslip og algeopblomstring i det isdækkede Arktis.

Autonome undervandsfartøjer (AUV'er) kan bære en række forskellige instrumenter, inklusive dem, der måler vandtemperatur, indsamle vandprøver, eller optage lyd under vandet. Forskere og ingeniører installerer generelt disse robotter fra siden af ​​et skib. Køretøjet navigerer derefter i det omkringliggende farvand på egen hånd, og fuldfører sin mission inden for en dag eller to.

Polaris, imidlertid, er en af ​​MBARI's langtrækkende AUV'er (LRAUV'er), designet til at blive ude i vandet i uger ad gangen. Selvom andre undervandsrobotter kan blive på havet i længere perioder, LRAUV'en bærer alle de væsentlige sensorer til langsigtede overvågningsstudier og er meget mere omkostningseffektiv end at bruge et forskningsfartøj og besætning til at indsamle de samme data.

"Langrækkende muligheder for AUV'er er stadig relativt nye, "sagde MBARI Senior Software Engineer Brian Kieft." Alle vores LRAUV'er var designet til i sidste ende at kunne fungere med et overloft - f.eks. en indlandsis - men dette projekt er unikt, fordi, efter næsten 25, 000 timer til søs, det er allerførste gang, en LRAUV rent faktisk har været under isen."

De fleste AUV'er kommer til overfladen med jævne mellemrum, ved hjælp af GPS til at finde ud af, hvor de er. Men overfladebehandling er ikke en mulighed, når man opererer under en indlandsis; i stedet, Polaris manøvrerer gennem vandet ved hjælp af sin hastighed, overskrift, nærhed til et akustisk beacon, og ekkolod for at estimere sin position løbende.

Mens Polaris rejser under isen, Forskere kan holde øje med robotten og downloade små mængder data ved hjælp af en akustisk undervandstransducer, der er sænket ned i et hul i isen. LRAUV kan detektere og lokalisere sådanne akustiske beacons op til fem kilometer (over tre miles) væk. Forskere kan udvide LRAUVs ​​sortiment ved at bore yderligere huller i isen og placere transducere i dem. "Det giver dig fem kilometers rækkevidde omkring hvert hul, hvor du stadig kan få data tilbage og bestemme, hvad der sker, " forklarede Kieft.

Ved afslutningen af ​​sin mission, Polaris skal finde og lægge til et reb, der hænger gennem isen - dens dockingstation. LRAUV'en under is er udstyret med en speciel dockingnæse indrammet af to metal "whiskers", der hjælper den med at låse fast på denne tynde lodrette linje. Ved at gå ind på et akustisk beacon, robotten kan vende tilbage til kajen, hvis der er problemer under implementeringen. "Det er hjem søde hjem, " sagde Senior Mechanical Engineer Brett Hobson. "Dokken er det eneste sted, hvor den kan stoppe, det eneste sted, hvor det er sikkert."

Før du går, hvor ingen anden LRAUV har været før, Polaris blev testet ud for bredden af ​​det solrige Californien. For to somre siden, MBARI videnskabsmænd og ingeniører spredte en sky af fluorescerende-grønt biologisk nedbrydeligt farvestof i det mørkeblå vand i Stillehavet. Ingeniørerne testede derefter robottens evne til at spore fanens kanter - en færdighed, der kunne udmønte sig i at opdage pletvis olieudslip eller algeopblomstring. Testene i Santa Barbara og Monterey Bay, som dem i Bog Lake, blev finansieret af et tilskud til University of Alaskas Arctic Domain Awareness Center (ADAC) af det amerikanske Department of Homeland Security.

Efter at have gennemført feltforsøg i de underfryste temperaturer i det nordlige Maine, ingeniørholdene kan mere fuldt ud sætte pris på det autonome design af deres køretøj. "I teorien, når du taber LRAUV'en i vandet, du kan gå hjem, " sagde Hobson. "Det kan betjenes fra en browser på en computer, som kan være placeret overalt i verden. "Dette ville være en meget tiltalende mulighed for indsættelser i Arktis. Men selv den hårdeste AUV er ikke immun over for kolde temperaturer. Ved Bog Lake, Ingeniørerne måtte pakke robotten ind i varmetæpper, når den ikke var i vandet, for at forhindre dets mekaniske komponenter i at fryse.

Så dårlige som forholdene var i Maine, Polaris vil snart stå over for endnu hårdere klimaer. Skibstrafik og olieefterforskning er stigende i Arktis, efterlader kystvagten bekymret over en øget risiko for olieudslip. I tilfælde af et større udslip under is, en ishyldes glatte hvide facade kunne fuldstændigt skjule olien, når den spredes nedenunder, forårsager omfattende miljøskader og gør indeslutning vanskelig eller umulig.

"Du kan ikke rigtig vide, hvad der sker under isen med traditionelle observationsmetoder, " sagde Kieft. ADAC-forskningsgruppen håber, at ved at installere LRAUV'er udstyret med instrumenter til at måle koncentrationer af olie i vand, de kan hurtigt kortlægge et spild, spore dens bevægelse, og muligvis endda identificere kilden til nedsivningen.

Design af en robot, der kan dykke ned under en indlandsis, spor en fane, og finde vej tilbage krævede masser af ingeniørarbejde på stedet. "Vi ændrede meget i denne robots adfærd, " sagde Kieft. "Noget af teknologien, såsom docking-kapaciteten, som vi har udviklet til dette projekt, kunne have vidtrækkende fordele for forskere ved MBARI, og forhåbentlig videnskabsmænd rundt om i verden, om det er under isen eller i åbent vand. "

Næste stop for robotten bliver De Store Søer i marts, efterfulgt af Barrow, Alaska i juli. Designet af LRAUV er blevet licenseret til WHOI, som planlægger at bygge yderligere køretøjer. Selvom MBARI fortsat vil yde support, Polaris er officielt blevet overdraget til forskerne ved WHOI, hvem skal drive det fremover.