Sonarovým systémem k detailnímu mapování oceánského dna

Tragédie Titaniku v roce 2023, kdy se turistická ponorka Titan ztratila v hloubce dvou mil pod hladinou Atlantského oceánu, znovu zdůraznila náročnost a časovou náročnost pátrání v hlubokém oceánu. Operace na takovéto škále, která probíhala 420 námořních mil od nejbližšího přístavu a zahrnovala 13 000 čtverečních kilometrů (dvakrát větší plocha než Connecticut), může trvat týdny, ne-li měsíce.

Vědecký tým z MIT Lincoln Laboratory a laboratoře Ocean Science and Engineering na MIT Department of Mechanical Engineering vyvíjí povrchový sonarovský systém, který by mohl značně urychlit průzkum, jak malých, tak rozsáhlých oblastí. Systém nazvaný Autonomous Sparse-Aperture Multibeam Echo Sounder (ASAMES) skenuje rychlostí povrchových lodí, přičemž poskytuje dostatečné rozlišení k nalezení objektů a detailů v hlubokém oceánu, aniž by bylo nutné nasazovat podvodní vozidla.

Echo sounder využívá rozsáhlou sonarovou síť tvořenou malým počtem autonomních povrchových plavidel (ASV), která mohou být dopravena letadlem. Potenciálně dokáže mapovat mořské dno s 50x vyšší rychlostí než podvodní vozidla a 100x vyšším rozlišením než povrchové lodě.

"Naše síť nabízí to nejlepší z obou světů: vysoké rozlišení podvodních vozidel a vysokou rychlost pokrytí povrchových lodí," říká spoluvedoucí výzkumu Andrew March z Advanced Undersea Systems and Technology Group v laboratoři Lincoln Laboratory. "Velké povrchové sonary s nízkými frekvencemi sice dokáží určit materiál a profil mořského dna, ale obvykle to dělají na úkor rozlišení, zejména s rostoucí hloubkou oceánu. Naše síť by tyto informace pravděpodobně mohla stanovit také, ale s výrazně vyšším rozlišením v hlubokém oceánu."

Neznámé hlubiny

Přestože oceány pokrývají 71 % zemského povrchu, více než 80 % tohoto podmořského světa zůstává neobjevené a neprozkoumané. Lidstvo ví více o povrchu jiných planet a Měsíce než o dně našich oceánů. Detailní mapy mořského dna by nebyly užitečné pouze pro vyhledávání ztracených objektů, ale i pro řadu vědeckých aplikací: pochopení geologie Země, zlepšení předpovědí oceánských proudů a souvisejících dopadů na počasí a klima, odhalování archeologických nalezišť, monitorování mořských ekosystémů a stanovišť a identifikace nalezišť přírodních zdrojů, jako jsou ložiska nerostů a ropy.

Současné technologie, včetně sonarů, lidarů, kamer a mapování gravitačního pole, dosahují maximálního dosahu méně než 1000 metrů ve vodě. Lodě s velkými sonarovými anténami namontovanými na trupu mapují hluboký oceán vysíláním nízkofrekvenčních zvukových vln, které se odrážejí od mořského dna a vrací se jako ozvěny na povrch. To však vede k nízkým rozlišením. Naproti tomu sonary na autonomních podvodních vozidlech (AUV), pracující na vyšších frekvencích v několika málo stovkách metrů od mořského dna, generují mapy s mnohem vyšším rozlišením, ale jejich nasazení je časově náročné a drahé.

Řešení se objevuje na povrchu

Autonomous Sparse-Aperture Multibeam Echo Sounder nabízí cenově efektivní přístup k vysokému rozlišení a rychlému mapování hlubokého mořského dna z povrchu oceánu. Flotila asi 20 ASV, z nichž každé má malou sonarovou anténu, efektivně tvoří jedinou sonarovou anténu 100krát větší než antény na velkých lodích. Velká apertura (stovky metrů) produkuje úzký paprsek, který umožňuje přesné řízení zvuku pro generování map s vysokým rozlišením při nízkých frekvencích.

Tento systém však představuje operační výzvy. Tým proto vyvíjí systém přesné relativní navigace a využívá nástroje pro akustické zpracování signálů a nové algoritmy pro odhad oceánského pole. Spolupracuje s Woods Hole Oceanographic Institution na vývoji prototypu. Nejnovější prototyp je 3,7 metrů dlouhé, plně elektrické ASV s sonarovou anténou. Tým se nyní snaží získat externí financování pro další vývoj této technologie mapování mořského dna, která získala ocenění R&D 100 Award 2024.