Они могут вести круглогодичное наблюдение за Антарктикой и подплывать прямо к ураганам
Научная фантастика часто рисует ужасающую картину будущего — например, пришельцы, уничтожающие человечество, как в «Войне миров». Но иногда будущее, становящееся настоящим, может быть весьма удивительным — кому не понравятся успешные запуски космических ракет, величественно взмывающие ввысь? Или возьмём земные океаны, которые в настоящее время переживают технологическую революцию, пока остающуюся незамеченной.
«Мы находимся на пороге распространения автономных транспортных средств в океане», — говорит Алекс де Робертис, биолог из Научного центра рыболовства на Аляске Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA). «То, что ещё недавно было научной фантастикой, теперь стало обыденностью». К ним относятся парусные дроны, похожие на огромные оранжевые доски для сёрфинга, каждая из которых оснащена жёстким парусом из углеродного волокна (так называемым крылом) и набором научного оборудования.
Беспилотные суда
Беспилотные парусники [saildrones] — это похожие на парусники беспилотные надводные аппараты, которые передвигаются по океану за счёт энергии ветра и солнца, хотя более крупные версии могут оснащаться резервным дизельным двигателем. Дистанционные пилоты, работающие в компании Saildrone, направляют беспилотный парусник с помощью команд, передаваемых по спутниковой связи, которые определяют его путь к целевой точке – т.н. коридор. Программное обеспечение беспилотника автономно подстраивает поведение крыла так, чтобы удерживать его на курсе (пилоты не могут напрямую управлять этим аппаратом). Используя только ветер и океанские течения, беспилотные летательные аппараты развивают скорость в среднем около 3 узлов.
NOAA и другие научные группы заказывают у компании Saildrone развёртывание этих малоразмерных беспилотников по всему мировому океану. Эти суда служат мобильными метеорологическими станциями, устройствами биологического мониторинга и даже картографами океанического дна — и все это без необходимости присутствия людей на борту. Они способны преодолевать ужасающе высокие волны, ураганные ветры, моря, покрытые льдом, и могут находиться в открытом море месяцами.
«Океан покрывает 70% земного шара, но, если говорить о его реальном объёме, мы знаем о нём очень мало, — говорит Ной Лоренс-Славас, инженер Тихоокеанской лаборатории морской экологии (PMEL) NOAA. Парусные дроны могут дать некоторые ответы».
Дроны на море
Компания Saildrone предлагает свои аппараты трёх размеров. Explorer — это маленькая рабочая лошадка, 23-футовый аппарат, приводимый в движение ветром, который может бороздить морские просторы в течение года. С помощью комплектов датчиков, питающихся от солнечных батарей, он может отслеживать метеорологические и химические показатели океана, следить за рыбой и/или измерять содержание углекислого газа на границе океан-атмосфера. Судно Voyager длиной 33 фута оснащено дизельным двигателем в дополнение к ветровой и солнечной энергии. Он может картографировать дно океана на глубине до 300 м и используется для обеспечения безопасности на море. Самый длинный, самый большой вариант — Surveyor — предназначен для картографирования океанских глубин, до 7000 метров. Первый Surveyor был 72 фута длиной, но новые аппараты будут длиной 65 футов.
Voyager и Surveyor имеют меньшее количество датчиков, поскольку их полезная нагрузка оптимизирована для картографирования и обеспечения безопасности на море, но Explorer может иметь от 15 до 20 датчиков, которые могут быть сконфигурированы в индивидуальный пакет для заказчика, говорит Мэтт Уомбл, директор программы океанических данных в компании Saildrone.
Подобная адаптация не всегда была возможна. Немногим более десяти лет назад, вспоминает Лоуренс-Славас, компания PMEL начала изучать возможности замены или дополнения наблюдений с кораблей, отчасти потому, что корабли невероятно дороги. По его словам, в 2014 году компания Saildrone предложила провести презентацию успешного путешествия своего концептуального аппарата из залива Сан-Франциско на Гавайи. Автономное пересечение значительной части океана заинтересовало PMEL, но в вопросе практического использования оставался большой пробел.
«У них было судно, но оно ничего не измеряло, — сказал Лоуренс-Славас. — [PMEL уникальна тем, что] мы можем разрабатывать датчики или иные системы с нуля». Чтобы облегчить разработку датчиков для беспилотных летательных аппаратов, NOAA в 2014 г. заключило с компанией Saildrone соглашение о совместных исследованиях и разработках (CRADA). По его словам, CRADA устанавливает цели проекта, описывает соглашения об интеллектуальной собственности и упрощает бумажную работу.
Они начали с простых датчиков, таких как температура воздуха и барометрическое давление — стандартных датчиков, устанавливаемых на причальных сооружениях. Решающим фактором успеха на ранних этапах было тестирование датчиков в океане. «Поскольку океан всегда может подкинуть нам какую-то проблему, мы можем очень быстро потерпеть неудачу, — сказал Лоуренс-Славас, — но мы также можем очень быстро учиться». Он рассказал об одном случае, когда он и другие специалисты прикрепили систему мониторинга буев к свае в заливе Сан-Франциско в качестве контрольного устройства. «Затем мы прикрепили приборы к беспилотнику и некоторое время просто плавали вокруг [сваи], просматривая данные».
Эти первые испытания постепенно усложнялись, все больше времени инженеры проводили в открытом океане. К 2015 году Saildrone выполнял задания NOAA в Беринговом море и Мексиканском заливе.
Рыболовные миссии
Одним из первых (но более сложных) установленных датчиков была гидролокационная система для отслеживания рыбы. «С точки зрения гидролокатора, — говорит де Робертис, — рыба похожа на воздушный пузырь, сидящий в океане, поскольку большая часть отражённого звука обусловлена контрастом плотности воды и плавательного пузыря рыбы, если он у неё есть». Если вы знаете, каков акустический ответ от одной рыбы, то численность рыбы можно рассчитать на основе общей измеренной энергии в данной области.
Де Робертис пояснил, что для проведения рыбохозяйственных исследований часто используется судно с экипажем, оснащённое гидролокатором для оценки биомассы, и люди, занимающиеся тралением рыбы. При акустическом тралении трал помогает определить, какой вид (или смесь видов) рыбы плавает внизу, а также возраст этой рыбы. Сочетание траления с гидролокацией помогает биологам отслеживать увеличение и уменьшение численности популяции в зависимости от возраста, что играет важную роль в принятии решений по обеспечению устойчивого промысла рыбы, сказал он. Хотя парусники не могут тралить, они хорошо работают в биологически простых районах, таких как Берингово море, где в популяциях рыб обычно доминирует один вид, поскольку экосистемы в более высоких широтах становятся более простыми.
Полярные проблемы
Парусные дроны уже бывали на «вершине мира», но в 2019 г. их использование дало неожиданные результаты. По словам Чидонга Чжана, директора отдела исследований климата океана PMEL, цель заключалась в том, чтобы определить, насколько близко может подойти парусник к морскому льду и измерить взаимодействие воздуха и моря в зоне кромки льда — перехода между твёрдым льдом и открытым океаном, который характеризуется плавающими в воде кусками льда. Из-за наличия большого количества небольших кусков льда парусные дроны неожиданно встретились со льдом. Один из основных выводов этой работы заключается в том, что некоторые льды просто слишком малы для обнаружения с помощью спутниковых данных — вывод, основанный на том, что парусник застрял во льдах после столкновения.
В том же году компания Saildrone приступила к работе в «низине мира», когда два парусных дрона начали облёт Антарктиды в летний период.
Южный океан — водоём, окружающий Антарктиду, — подобен ступице колеса, связывающего все остальные океаны. Течения, создаваемые этим большим кругом, а также разница температур между слоями воды создают эффективный механизм вывода тепла и углекислого газа из атмосферы в глубины океана с помощью нисходящих течений. «Мы считаем, что [этот] океан играет довольно большую роль в поглощении углерода мировым океаном», — говорит Адриенн Саттон, океанограф из PMEL.
Однако Южный океан одновременно и наименее изученный. «Это просто не очень приятное и небезопасное место», — говорит Саттон. Учёные устанавливают приборы для определения содержания углекислого газа на любом судне — исследовательском или коммерческом, — которое уже отправляется в плавание по холодным водам. Однако зимой из-за сильных ветров и волн движение в океане обычно замедляется, из-за чего у нас остаётся огромный пробел в знаниях о том, что происходит в то время, когда эти самые сильные ветры и волны должны приводить к более быстрому обмену теплом и углекислым газом.
Появился Saildrone, совмещённый с системой Autonomous Surface Vehicle CO2, или ASVCO2, разработанной компанией PMEL. Это вариант технологии, существующей уже несколько десятилетий, предназначенный для определения количества углекислого газа, которым обмениваются воздух и море. Для миссии 2019 года главным вопросом было, сможет ли парусник, оснащённый ASVCO2 и другими стандартными датчиками, выжить в условиях Южного океана. И ему это удалось.
«Я был потрясён», — говорит Саттон. Один из них обогнул весь континент и завершил свою миссию в августе. (Исследователи также спасли второй парусник, который не завершил свою миссию). Хотя примерно на полпути парусник столкнулся с айсбергом, повредив часть метеорологического оборудования, система ASVCO2 работала и дала интригующие результаты. По словам Саттона, зимой в Индийском океане система обнаружила сильные зоны выброса CO2 из океана в атмосферу, которые ранее не наблюдались.
Подводные горы
Среди множества неизвестных явлений в океане, пожалуй, наиболее озадачивающим является то, что большая часть океанического дна не была детально нанесена на карту. Представьте себе, что вы пытаетесь прогнозировать погоду, не зная, где на поверхности Земли возвышаются горы, а где ландшафт прорезают долины.
«То же самое касается всех моделей глобального изменения климата, в которых задействован океан», — говорит Ларри Майер, директор Центра прибрежного и океанического картирования при Университете Нью-Гэмпшира. «Турбулентность, создаваемая водой, проходящей над морским дном, является очень важным параметром, который контролирует распределение тепла в толще воды», — пояснил он. Океанское дно также имеет значение для навигации, безопасности и понимания уязвимых мест обитания. «Невозможно защитить и управлять тем, чего не знаешь», — сказал он.
Для этого Майер и его коллеги используют самый большой парусник — Surveyor. «Если вы хотите получить очень высокое разрешение на большой глубине, вам нужен [многолучевой] гидролокатор», — сказал он. Многолучевой гидролокатор требует достаточно большого судна и мощности для его работы. Судно Surveyor достаточно большое, и оно может использовать солнечную энергию для зарядки аккумулятора, питающего бортовые сенсорные системы. По словам Майера, в редких случаях, когда ветра и течения не будут благоприятствовать работе судна, оно будет полагаться на резервный дизельный двигатель, который поможет направить парусник.
Многолучевой гидролокатор Surveyor собирает данные в полосе шириной, в три-четыре раза превышающей его высоту над дном океана. «Когда мы идём под парусами, он получает примерно на 20% больше информации, потому что он очень тихий», — сказал он. «Сонар издаёт очень тихий звук в океан и ждёт, пока эхо вернётся обратно, поэтому он восприимчив к любым шумам», — пояснил Майер. «В большинстве ситуаций Surveyor может составлять карты, опираясь только на ветровую тягу», — сказал Уомбл.
Первый рейс Surveyor длился 28 дней и проходил из Сан-Франциско в Гонолулу. Недавно Surveyor завершил многомесячный поход, начатый в июле 2022 года, по картографированию районов вокруг Алеутских островов Аляски. Затем он вернулся в Сан-Франциско, сделал остановку в штаб-квартире Saildrone и нанёс на карту дополнительные участки морского дна прибрежной Калифорнии. Среди важных открытий — потенциальные гидротермальные источники вблизи Аляски и ранее неизвестная калифорнийская подводная гора.
Окончательное испытание
Ни одно судно не хочет оказаться в центре урагана, поэтому данных с поверхности раздела океан-атмосфера, получаемых в зоне действия сильнейших ветров, очень мало. По словам Грега Фольца, океанографа из Атлантической океанографической и метеорологической лаборатории NOAA, получение таких данных с помощью парусных дронов может помочь улучшить прогнозы интенсивности ураганов.
Прогнозирование времени усиления урагана — особенно важное в течение нескольких дней до выхода на сушу — отстаёт по точности от прогнозирования траектории урагана, говорит Чжан.
Отчасти это объясняется сложностью сбора данных, необходимых для понимания процессов переноса энергии между океаном и атмосферой во время шторма. Информация о турбулентности, рассчитываемая по скорости ветра в трёх измерениях, необходима, поскольку турбулентность передаёт импульс океану, замедляя ветры. Данные о температуре, влажности и ветре в океане и воздухе позволяют косвенно рассчитать поверхностный тепловой поток — обмен тепловой энергией между океаном и штормом. Когда океан передаёт шторму тепло, ураганы усиливаются, говорит Фольц. Парусные дроны собирают необходимые данные для расчёта турбулентности, а со временем они должны собрать данные, необходимые для прямого расчёта поверхностного теплового потока, и при этом пережить ураган относительно невредимым.
В 2021 году пять беспилотных летательных аппаратов NOAA были распределены вдоль трасс в Атлантическом океане, где наиболее вероятно появление ураганов. Один бесстрашный беспилотник пронёсся над ураганом «Сэм» 4-й категории, ведомый учёными и дистанционными пилотами Saildrone. В условиях сильнейшего ветра и моря беспилотник перевернулся, но сумел выправиться. Поняв, что Saildrone справится с задачей, Фольц описал прилив облегчения, которое он испытал.
«Этот вопрос требует очень серьёзного планирования», — сказал он. «Ты волнуешься… что не сможешь поставить его в правильное положение, чтобы он прошёл через самые сильные ветра». Но это удалось, и он исправно передавал данные во время сильнейшего шторма. В 2022 году семь беспилотных летательных аппаратов вели поиск штормовых воронок в Атлантике и Мексиканском заливе; один из них проник в ураган «Фиона» четвёртой категории.
Остаётся открытым вопрос о том, как подтвердить достоверность данных, полученных с помощью беспилотных летательных аппаратов, если другими методами непосредственно из глаза урагана на поверхности океана собирается минимальное количество информации. Самолёты NOAA Hurricane Hunter сбрасывают датчики на парашютах в глаза ураганов, которые собирают бесценную информацию по пути вниз, но собранные ими данные дают лишь краткий снимок поверхности океана по сравнению с непрерывным мониторингом с парусных дронов.
Лукреция Рикардулли, старший научный сотрудник компании Remote Sensing Systems и член научной группы NASA по изучению океанических векторных ветров, решила сравнить данные с парусных дронов, полученных во время урагана Сэм, с данными непрерывного мониторинга скорости ветра, осуществляемого со спутника. «Все спутниковые данные, которые у нас были, точно совпадали с данными, полученными с помощью парусных дронов, — сказала она. — Я была потрясена».
После ещё одного прохода со спутниковыми данными более высокого разрешения результаты остались прежними. «Saildrone оказался действительно точным в условиях урагана», — сказала Рикардулли.
Миссия как услуга
Несмотря на успехи, применение беспилотных летательных аппаратов требует от учёных изменения мышления. «Модель использования парусных дронов в целом очень интригует, и [это] совсем другая модель, отличающаяся от той, к которой привыкло моё сообщество», — сказал Майер.
В прошлом команды собирали или покупали собственные приборы. По словам Лоуренса-Славаса, такой способ ведения океанографических работ не очень удобно передавать от одной группы к другой: «Модель «данные как услуга» была очень интересна для нас, поскольку она позволяет преодолеть все эти проблемы, связанные со специализацией, опытом и человеческим капиталом, которые необходимы группам для того, чтобы провести измерения в океане».
В бизнес-модели Saildrone компания сохраняет за собой право собственности на беспилотник. Хотя учёные помогают в разработке миссии и выборе подходящего дрона и комплекта приборов, они покупают только данные.
Уомбл называет эту модель «миссия как услуга» — когда учёные сосредоточены на общем дизайне и сборе данных, а строительство и реализация возложены на Saildrone.
Веб-портал связывает учёных с пилотами и руководителями проекта Saildrone во время полёта. Постоянный поток данных помогает учёным определить, есть ли проблемы с какими-либо датчиками. Камеры позволяют учёным видеть то, что видит беспилотник, именно так они обнаружили, что беспилотник врезался в арктический лёд. В настоящее время Чжан и другие специалисты работают над созданием автоматизированной навигационной системы, которая могла бы обнаруживать морской лёд в режиме реального времени с помощью машинного обучения и искусственного интеллекта.
Данные, которые появляются на веб-портале, передаются через спутник, но поскольку это дорого и спутники имеют ограниченную пропускную способность, информация в основном поступает в виде усреднённых пятиминутных данных, говорит Лоуренс-Славас. Более подробные данные хранятся на борту и извлекаются при восстановлении беспилотника, а затем обрабатываются с помощью конвейера данных, который NOAA помогла разработать. «Мы убедились, что в конце этого процесса получаемые данные совпадают с нашими эталонными данными», — сказал он.
Расширение возможностей океанических исследований
«Наша система наблюдений в настоящее время очень сильно зависит от кораблей, — сказал Саттон. — Для развёртывания любого другого объекта, например буя, необходимо судно».
Экипаж исследовательского судна, проводящего картирование морских глубин, составляет от 15 до 30 человек, и на борту может находиться около 20 учёных. Продолжительность таких миссий обычно составляет около 30 дней, поскольку необходимо пополнять запасы и заправляться топливом, говорит Майер. Стоимость таких исследовательских миссий может составлять порядка $50 000 в день, причём значительная часть расходов связана с заработной платой экипажа и топливом. «Каждый раз, когда один из этих больших кораблей должен заходить в порт и выходить из него, он теряет время», — сказал он. Автономные транспортные средства, такие как парусники, позволяют сэкономить на экипаже и транзите, а также имеют гораздо большее рабочее окно с учётом погодных условий.
Затраты на топливо гораздо меньше, поскольку парусники работают преимущественно на энергии ветра и солнца. В частности, Explorer привлекателен тем, что он не требует никаких затрат, — говорит Чжан.
Хотя парусные дроны не могут полностью заменить корабли с экипажем, они позволяют дополнить исследования, считает де Робертис. «Они не скучают, не голодают; это роботы, они хорошо справляются с этой задачей».
