Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Colorado Boulder demonstraram um novo celular, sistema baseado em solo que pode escanear e mapear plumas de gás atmosférico a quilômetros de distância.

O sistema usa um instrumento de laser seguro para os olhos para enviar luz que "penteia" o ar para um multicóptero voador e analisa as cores da luz absorvida ao longo do caminho para identificar assinaturas de gás em tempo quase real.

O sistema "comb and copter" pode ser útil para verificar se há vazamentos em campos de petróleo e gás, estudar a mistura de emissões automáticas e outros gases na fronteira entre a superfície da Terra e a próxima camada da atmosfera, ou, com atualizações planejadas, detectar poluentes ou ameaças químicas e suas fontes.

Conforme descrito em Optica , pesquisadores usaram a luz do pente para medir o dióxido de carbono, metano e vapor de água - gases de efeito estufa que aquecem a atmosfera - ao longo de um trajeto de ida e volta de 2 quilômetros (1,24 milhas) entre um telescópio no telhado de um laboratório do NIST Boulder e um retrorrefletor montado em um pequeno, aeronaves não tripuladas. O multi-helicóptero pairou em locais selecionados para medir gases ao longo de um caminho horizontal e em várias altitudes de até 120 metros (400 pés). Os voos em altitudes elevadas são tecnicamente viáveis, mas atualmente limitados pelas regras de voo de veículos aéreos não tripulados.

Os resultados foram ainda melhores do que o teste de 2014 do NIST do sistema de penteação a laser sem um multicóptero. Por exemplo, o novo sistema mediu os níveis de dióxido de carbono de 1 parte por milhão em apenas 60 segundos, em comparação com 200 segundos anteriores.

"Agora podemos fazer o mesmo tipo de medições atmosféricas, com um pouco mais de sensibilidade, com um sistema que podemos apontar para onde quisermos, "O físico químico do NIST Kevin Cossel disse." A tecnologia e a sensibilidade são promissoras. "

O instrumento a laser usa dois pentes de frequência - ferramentas de medição feitas de milhares de frequências precisas ou cores de luz, como os dentes de um pente de cabelo - para identificar gases com base na quantidade de cores específicas de luz absorvida. O teste de 2014 mostrou que a técnica de pente duplo pode, precisamente, detecta de forma reproduzível gases residuais na atmosfera. Nesse trabalho, a luz do pente enviada pelo telescópio foi devolvida por um espelho montado em uma montanha próxima. Um refletor é necessário para retornar a luz para fortalecer o sinal antes da análise por um detector no telescópio.

A versão mais recente do instrumento apresenta várias atualizações, incluindo mais poder, um telescópio aprimorado e um retrorrefletor leve (um espelho 3D especializado). Os pesquisadores do NIST também tornaram o sistema de pente mais compacto; agora é do tamanho de um fogão de cozinha, para que um veículo pudesse transportá-lo. Estas alterações, além do uso do multi-helicóptero personalizado, tornar todo o sistema mais poderoso e móvel.

Por toda sua experiência em laser, Os cientistas do NIST descobriram que precisavam colaborar com os especialistas em voo de aeronaves não tripuladas da equipe de Sensoriamento Remoto e In Situ (IRISS) da Universidade do Colorado.

"Voar nessas coisas acabou sendo um desafio, "Nathan Newbury do NIST explicou." Não é tão fácil pilotar multicópteros - eles precisam ser pilotados por alguém habilidoso, ou então a coisa se desvia do curso, ou pior, trava. Qualquer pessoa que comprou ou recebeu um para se divertir sabe disso. "

O multi-helicóptero usado no experimento foi equipado com um retrorrefletor, bem como instrumentos para medir a localização, temperatura e pressão do ar, e comprimento do caminho. O sistema de telescópio deve rastrear o movimento do retrorrefletor conforme o multi-helicóptero se move e paira. Todo o sistema recupera as concentrações de gás a cada 10 segundos.

O sistema de pente e helicóptero complementa a tecnologia convencional. Sensores de ponto móveis baseados no solo podem fazer mapas regionais, mas devem ser conduzidos em um veículo ou em um avião. Os instrumentos de satélite podem detectar gases atmosféricos remotamente com cobertura global, mas amostram regiões específicas da Terra com pouca freqüência e apenas com resolução espacial grosseira.

No futuro próximo, pesquisadores planejam usar o sistema de pente voador para estudar a mistura na camada limite da Terra, uma importante fonte de incerteza em modelos atmosféricos, e para verificar as emissões de instalações de petróleo e gás, que pode levar à formação de ozônio.

O sistema "comb and copter" atualmente detecta assinaturas de gás na faixa do infravermelho próximo do espectro. Os pesquisadores do NIST esperam estender essa cobertura ao infravermelho médio, o que aumentaria o número de gases detectáveis ​​e permitiria aplicações como a varredura de perigos e ameaças químicas. A luz do laser em qualquer banda não prejudica os olhos, o que significa que é seguro para usuários e observadores. Além disso, tempos de voo e comprimentos de percurso mais longos devem ser possíveis à medida que a tecnologia de aeronaves não tripuladas avança. O grupo NIST já demonstrou que sistemas semelhantes podem operar em caminhos muito mais longos, de até 12 km (7,5 milhas) em uma viagem de ida e volta.