Сенсор для океана, вдохновленный медузой
Ученые из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса разрабатывают недорогой сенсор для океанологических наблюдений, вдохновленный дизайном одного из лучших "моряков" океана — организмом Velella velella. Это плавающие организмы, похожие на медуз, которые дрейфуют по поверхности океана под парусом.
Новые сенсорные платформы, созданные совместно с Военно-морской аспирантурой и местной компанией по аэрокосмическому электротехническому проектированию, оснащены современной маломощной электроникой. Она способна измерять ключевые параметры океана: соленость, температуру и местоположение. Данные передаются исследователям через спутниковую связь для глобального мониторинга в реальном времени.
Измерение солености
Соль делает воду плотнее. Если циркуляция поверхностных вод в основном обусловлена ветрами, то изменения плотности и температуры морской воды управляют течениями в глубине океана. Глобальные модели океанической циркуляции показывают, что эти глубинные течения играют значительную роль в формировании климата планеты, а также в циклах питательных веществ и углекислого газа в океане.
Хотя спутники способны собирать данные о солености с обширных акваторий, информация с буев и подводных устройств, таких как сенсоры Velella velella, дает локальные высокоточные показания.
"Если мы сможем лучше отслеживать здоровье океана и то, как меняются условия по всему миру, то мы сможем принимать более обоснованные решения о том, как смягчить эти изменения или адаптироваться к ним", — говорит Лесли Гамильтон, инженер по материаловедению из APL.
Биомиметический дизайн
Организмы Velella velella, прозванные "моряками по ветру", образуют большие скопления и питаются планктоном, дрейфуя по морю. Ветер толкает их парус. Чтобы биомиметические сенсоры вмещали столько технологий в небольшой корпус, многие их компоненты многофункциональны.
"Парус не только ловит ветер, но и служит корпусом для электронных компонентов, таких как антенны, которым нужно находиться над ватерлинией", — объясняет Кайл Лоуэри, инженер-механик APL. — "А нижняя часть нашего сенсора напоминает киль корабля: в нем размещена основная электроника, установлен датчик солености, и он смещает центр тяжести вниз для устойчивости".
В бедных питательными веществами и планктоном районах настоящие Velella velella могут использовать энергию солнца с помощью симбиотических водорослевых клеток, преобразуя ее в процессе, подобном фотосинтезу. Каждый силиконовый сенсор APL также собирает солнечную энергию с помощью двух солнечных панелей над плавником, чтобы питать свою миниатюрную электронику.
"Пока он дрейфует в океане, солнечная энергия будет подзаряжать аккумулятор", — говорит инженер-электрик APL Дэниел Аюб. Датчик солености будет погружен в воду и непрерывно измерять уровень солености.
Адаптируемые подводные коммуникаторы
Электроника, которую можно адаптировать под различные исследовательские задачи, запрограммирована на периодическую передачу данных о температуре, местоположении и солености через спутниковую связь. Для проверки этих возможностей ранний прототип был запущен с побережья Делавэра с помощью метеозонда. Сейчас прототип находится в центре Атлантики и уже более 20 недель несколько раз в день передает данные о местоположении и температуре.
Первые испытания на плавучесть команда провела в пруду на территории APL, а затем — в Тихом океане на привязи. Недавно исследователи из Военно-морской аспирантуры развернули последнюю версию сенсора в Монтерее, Калифорния. Устройство привязано к пирсу для продолжения испытаний и оценки в реальных океанских условиях.
В будущих фазах тестирования исследователи планируют развернуть целую группу таких устройств, имитирующую естественную структуру скопления Velella velella, что позволит собирать более масштабные наборы критически важных океанографических данных.