Morza i oceany stanowią ponad 71% całkowitej powierzchni naszej planety. Wiele miejsc, znajdujących się pod wodą, dalej stanowi dla ludzkości tajemnicę. W ich odkrywaniu, a także dbaniu o zbiorniki wodne, ma pomóc nowe urządzenie, nazywane Underwater Backscatter Localization (UBL).
UBL pozwoli śledzić obiekty morskie poprzez zupełnie nową formę
Ogromna objętość akwenów morskich i oceanicznych przyprawia o zawrót głowy naukowców i klimatologów. Od dziesiątek lat ludzkość stara się odkrywać kolejne tajemnice, kryjące się pod wodami Ziemi.
Dotychczas było to możliwe jednak w bardzo ograniczonym zakresie. Wiele urządzeń, które miały pomóc np. w lokalizacji wielorybów, aby poznać ich styl życia, okazywało się wadliwe lub bardzo niedokładne. Wpływ na to miał sposób działania systemu nawigacyjnego, który korzysta z fal radiowych. Nie były one odporne na załamania i szybko „rozpadały” się w płynach.
W celu naprawienia tej niedogodności zaczęto korzystać z sygnalizacji akustycznej. Po latach doświadczeń okazało się jednak, że i te nie są zbyt dokładne, a wpływ na to miał dość błahy problem, jakim była bardzo mała żywotność baterii. Przez to urządzeniom bazującym na akustyce brakowało zasilania i działały bardzo krótko.
Znana amerykańska uczelnia, Massachusetts Institute of Technology (MIT), stworzyła więc całkowicie nowy system lokalizacji, który nazwali Underwater Backscatter Localization (UBL). Jego głównym założeniem była eliminacja ww. błędów, czyli niedokładności GPS oraz szybkiego zużycia ogniw bateryjnych.
Z powyższego akapitu można wywnioskować, że UBL nie korzysta z systemu nawigacji, a także nie jest zasilany bateriami. Jak więc działa i przekazuje odpowiedni sygnał zwrotny?
Underwater Backscatter Localization do działania wykorzysuje zmodulowane sygnały z otoczenia, dzięki którym możemy odczytać dokładne położenie „obiektu” przy zerowym zużyciu energii. Fale dźwiękowe przemieszczają się szybciej i dalej pod wodą niż przez powietrze, dzięki czemu są obecnie najbardziej efektywnym sposobem na przesyłanie danych.
Twórcy urządzenia bardzo humorystycznie podchodzą do tematu zasilania. Twierdzą oni, że „bardzo ciężko jest wymienić baterie w urządzeniu, które jest przymocowane do wędrującego wieloryba”. Właśnie dlatego opracowali oni system bezbateryjny, który nie wymaga ciągłej konserwacji.
W związku z tym, zespół opracowujący UBL zwrócił się w kierunku całkowicie innego rozwiązania, jakim są fale piezoelektryczne. W dużym uproszczeniu, materiały te generują swój własny ładunek elektryczny w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne. Czujniki piezoelektryczne mogą następnie wykorzystać ten ładunek do odbijania niektórych fal dźwiękowych z powrotem do ich otoczenia.
Odbiornik przekłada tę sekwencję odbić, zwaną backscatter, na wzór 1s i 0s. Otrzymany w ten sposób kod binarny pozwala dokładnie sprawdzić wiele czynników danego akwenu, jak np. zasolenie czy temperatura wody. Może ona być także używana do lokalizacji „obiektu”, jednak w tym miejscu pojawia się kolejny problem, z jakim musieli zmierzyć się naukowcy i inżynierowie, odpowiedzialni za urządzenie.
Jednostka obserwacyjna może emitować falę dźwiękową, a następnie zmierzyć, ile czasu zajmuje jej odbicie od czujnika piezoelektrycznego i powrót do jednostki obserwacyjnej. Czas, który upłynął, może być wykorzystany do obliczenia odległości między obserwatorem a czujnikiem piezoelektrycznym. Problemem okazuje się jednak „lokalizacyjne echo”, które może powodować nieprecyzyjny odczyt danych.
W dużym skrócie, fale dźwiękowe przemieszczają się nie tylko bezpośrednio między jednostką obserwacyjną a czujnikiem, ale mogą także „zahaczać” o dno morskie, przez co odczyt będzie niekompletny, ponieważ fale będą trafiać do naukowców z różnym czasem odpowiedzi.
Żeby rozwiązać ten problem, badacze pokonali problem poprzez tzw. „skok częstotliwości”. Zamiast wysyłać sygnały akustyczne na jednej częstotliwości, jednostka obserwacyjna wysyła sekwencję sygnałów w całym ich zakresie. Każda częstotliwość ma inną długość fali, więc odbite fale dźwiękowe wracają do jednostki obserwacyjnej w różnych fazach. Dzięki połączeniu informacji o czasie i fazie, obserwator może określić odległość do urządzenia śledzącego. Jak się okazało, przeprowadzone testy wykazały, że rozwiązanie to się sprawdza i pozwala dokładnie zlokalizować obiekt, do którego przyczepione jest urządzenie.
Według MIT, UBL może pewnego dnia stać się kluczowym narzędziem dla konserwatorów morskich, klimatologów, a nawet dla marynarki wojennej Stanów Zjednoczonych. Projekt wymagał wiele pracy i wysiłku, jednak wygląda na to, że może odnieść duży sukces i pozwoli uzyskać bardzo dokładne dane o akwenach morskich i oceanicznych, które pomogą nie tylko nam, ale także przyszłym pokoleniom w dbaniu o zrównoważony rozwój naszej planety.
