Semana Anterior, pesquisadores do Sandia National Laboratories pilotaram um balão amarrado e um sistema aéreo não tripulado, conhecido coloquialmente como drone, juntos pela primeira vez para obter as temperaturas atmosféricas do Ártico com melhor controle de localização do que nunca. Além de fornecer dados mais precisos para modelos de tempo e clima, ser capaz de operar UASs com eficácia no Ártico é importante para a segurança nacional.

"Operando UASs no controle remoto, os ambientes hostis do Ártico proporcionarão oportunidades para fortalecer as tecnologias de maneiras que são diretamente transferíveis para as necessidades de segurança nacional em termos de robustez e confiabilidade, "disse Jon Salton, um gerente de robótica Sandia. "Em última análise, a integração das necessidades operacionais e de detecção especializadas exigidas para a pesquisa do Ártico se transferirá para uma variedade de necessidades de segurança nacional. "

As informações sobre a temperatura da atmosfera são críticas para prever o tempo, monitoramento de clima severo e melhoria dos modelos climáticos. Ao contrário dos balões presos ou balões meteorológicos, UASs não requerem hélio, um recurso não renovável, e pode decolar com menos preparação. Assim, eles podem ser iniciados de locais mais remotos. A maioria dos aeroportos já coleta perfis de temperatura atmosférica duas vezes por dia, mas mudar para UASs com sensores de temperatura distribuídos seria melhor porque eles seriam reutilizáveis ​​e poderiam voar com mais frequência, disse o cientista atmosférico de Sandia Dari Dexheimer.

Balões podem voar por horas, UAS pode voar para locais precisos

Desde 2015, Dexheimer voou regularmente com balões amarrados para fora do espaço aéreo ártico de Sandia em Oliktok Point, o ponto mais ao norte da Baía de Prudhoe, no Alasca. Esses balões de 13 pés de altura carregam sensores de temperatura distribuídos para coletar perfis de temperatura atmosférica do Ártico, ou a temperatura do ar em diferentes alturas acima do solo, entre outros sensores atmosféricos. O teste no início deste mês foi a primeira vez que Sandia voou com um octocóptero no céu acima de Oliktok Point.

"O UAS e o balão realmente se complementam no sentido de que o UAS tem um tempo de vôo menor, mas é muito mais diversificado espacialmente. O balão amarrado pode ficar no ar por muito tempo, dando a você muitos dados, mas não é facilmente móvel, "disse Dexheimer. O balão é soprado pelo vento, até os limites da corda, mas o UAS pode ser direcionado para coordenadas GPS precisas.

No início deste verão, Dexheimer e a equipe de voo do UAS, liderado por Diane Callow, testou a configuração do balão UAS em Sandia. Eles superaram uma série de desafios técnicos, incluindo descobrir a melhor forma de proteger e enrolar o cabo sensor de temperatura distribuído de quatro campos de futebol americano, garantindo que ele não fique preso nos rotores do UAS.

Eles também trabalharam na logística de operação do balão e do sistema ao mesmo tempo. Para evitar bater uns nos outros ou emaranhar os cabos, o balão foi amarrado a favor do vento e o UAS ficou a pelo menos 30 metros de distância dele.

Sensores bacanas para ciência bacana

O sensor de temperatura distribuída é um cabo de fibra ótica com espessura de pasta de cabelo de anjo. Ao ver como a luz se curva no cabo, Dexheimer pode calcular a temperatura dessa parte da nuvem. Esta medição tem resolução de 1 metro, e ela envia um pulso de luz a cada 30 segundos. Isso dá a Dexheimer e aos modeladores climáticos um nível de detalhe sem precedentes sobre a temperatura da atmosfera.

Além do sensor de temperatura, o balão com fio carrega sensores especiais de água líquida super-resfriada. Água líquida super-resfriada é água pura que permanece líquida abaixo de seu ponto de congelamento porque não tem nada para cristalizar. É importante porque as nuvens que contêm muita água líquida super-resfriada se comportam de maneira diferente das nuvens normais, permanecendo por vários dias e até agindo como um cobertor para aquecer a superfície abaixo. Uma melhor compreensão desses tipos de nuvens de fase mista é importante para modelos climáticos mais precisos.

Os sensores são fios vibrantes nos quais água líquida super-resfriada pode congelar. À medida que o gelo se acumula, a vibração diminui, e isso informa aos pesquisadores quanta água líquida super-resfriada está presente naquela parte da nuvem. Para as próximas etapas do projeto, a equipe espera adicionar esses sensores de água líquida super-resfriada a um UAS de asa fixa e voar com o UAS para as nuvens. Eles esperam ver o quanto o UAS congela, determinar como mitigar os efeitos do gelo e, eventualmente, coletar dados úteis sobre as condições da nuvem com mais controle espacial do que o balão poderia obter.

Tanto a temperatura da nuvem quanto o conteúdo de água líquida super-resfriada podem ser comparados entre o UAS e o balão, bem como com dados de sensores de Medição de Radiação Atmosférica baseados no solo também em Oliktok Point. Sandia gerencia o local ARM North Slope of Alaska como parte do ARM Climate Research Facility, uma instalação de usuário científico nacional financiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia.

"Nossa capacidade de operar UASs, bem como operações de balão amarrado no Ártico, e nossa capacidade de combinar essas medições e modelagem por computador de maneiras inovadoras, nos permite realmente colocar as instalações de Oliktok em uso para a segurança nacional e as comunidades científicas, "disse Lori Parrott, gerente de ciências atmosféricas da Sandia.

Sandia não é a única instituição que usa o Oliktok Point para testar UASs em condições extremas do Ártico; outras instituições também operam sistemas UAS em Oliktok. Por exemplo, o Centro de Integração de Sistemas de Aeronaves Não Tripulados da University of Alaska Fairbanks voou seus UASs em Oliktok Point neste verão por meio de um Acordo Cooperativo de Pesquisa e Desenvolvimento com Sandia. Eles têm uma instalação de teste em Toolik Lake cerca de 130 milhas ao sul, mas o acesso ao espaço aéreo restrito que Sandia administra sobre o Mar de Beaufort em Oliktok é inestimável, disse Parrott.

Discussões estão em andamento com outros usuários em potencial em várias agências federais. Parrott disse, "O espaço aéreo restrito de 700 milhas que Sandia administra para o DOE tem importância estratégica porque pode permitir que os cientistas conduzam experimentos e exercícios nas águas do Ártico sem risco para aeronaves pilotadas por humanos. Voos para exercícios de busca e resgate, coleta de dados no gelo ou nas condições atmosféricas, ou tecnologia de teste, caso contrário, seria muito difícil de conduzir. "

O projeto combinando UASs e balões amarrados foi apoiado por financiamento interno da Sandia.