Estudiar el cambio climático con un dron radar de hielo

Este sistema presupuestario explora bajo el hielo para descubrir sus secretos

Peregrine, un sistema de radar de penetración de hielo basado en drones, fue probado sobre el glaciar Slakbreen de Noruega en marzo.

I'Estoy parado encima de 100 metros de hielo, observando cómo un dron cruza el glaciar Slakbreen en el archipiélago noruego de Svalbard, a más de 600 kilómetros al norte del continente. Soy parte de un equipo que prueba Peregrine, un vehículo aéreo no tripulado (UAV) de ala fija equipado con un radar de penetración de hielo miniaturizado, que puede obtener imágenes del hielo glacial hasta el lecho de roca.

La temperatura es de –27 °C, cayendo por debajo de –40 °C con sensación térmica, muy por debajo de la temperatura de funcionamiento de la mayoría del equipo comercial que trajimos para esta expedición. Nuestros teléfonos, computadoras portátiles y cámaras están fallando rápidamente. La última de nuestras computadoras que todavía funciona está colocada encima de una pequeña almohadilla térmica dentro de su propia pequeña tienda.

Por muy duro que sea el clima aquí, pretendemos que Peregrine opere en condiciones aún más duras, inspeccionando periódicamente las capas de hielo de la Antártida y Groenlandia. Estas grandes masas almacenan suficiente agua para elevar el nivel global del mar en 65 metros en caso de que se derritieran por completo. Aunque no se espera que ninguna de las capas de hielo se derrita por completo en el corto plazo, su increíble escala hace que incluso los cambios más pequeños tengan consecuencias para el futuro de nuestro planeta. Y los datos que recopilará Peregrine ayudarán a los científicos a comprender cómo responderán estas áreas críticas al cambio climático.

Thomas Teisberg, doctor en ingeniería eléctrica. Candidato de la Universidad de Stanford, lanza Peregrine en el glaciar Slakbreen de Noruega.

Los científicos llevan mucho tiempo observando los cambios en la altura de la superficie de las capas de hielo, utilizando datos recopilados con altímetros láser transportados por satélite. Estos datos provienen en gran parte de ICESat, lanzado en 2003, y su sucesor, ICESat-2, lanzado en 2018. Con información de estos satélites de la NASA, los científicos miden el cambio de elevación, que utilizan para inferir el impacto neto de la superficie. procesos como las nevadas y el derretimiento y las velocidades a las que las capas de hielo liberan icebergs al océano.

Estas mediciones son importantes, sin duda, pero la altimetría láser no proporciona información directa sobre lo que sucede debajo de la superficie, incluido cómo se deforma el hielo y cómo se desliza sobre la roca subyacente.

Y mientras intentamos comprender cómo responden las capas de hielo a nuevos extremos climáticos, estos procesos son clave. ¿Cómo afectarán los cambios de temperatura a la velocidad a la que el hielo se deforma bajo su propio peso? ¿En qué medida el agua líquida que llega al fondo de un glaciar lubricará su lecho y hará que el hielo se deslice más rápido hacia el océano?

Para obtener respuestas a estas preguntas es necesario ver debajo de la superficie. Ingrese al radar de penetración de hielo (IPR), una tecnología que utiliza ondas de radio para obtener imágenes de las capas internas de los glaciares y el lecho debajo de ellos. A diferencia de otros métodos que requieren más mano de obra, como perforar pozos o instalar conjuntos de geófonos para recopilar datos sísmicos, los sistemas IPR desde sus inicios han volado en aviones.

Peregrine aterriza tras un vuelo de prueba en Noruega.

En la década de 1960, como parte de una colaboración internacional, un transporte Lockheed C-130 Hercules de la Marina de los EE. UU. se convirtió en un avión de recopilación de datos IPR. El proyecto (que analizaré con un poco más de detalle en un artículo demostró que era posible recopilar rápidamente este tipo de datos incluso desde las partes más remotas de la Antártida. Desde entonces, los instrumentos de propiedad intelectual han mejorado cada vez más, al igual que el medios para analizar los datos y utilizarlos para predecir el futuro aumento del nivel del mar.

Mientras tanto, sin embargo, los aviones utilizados para recopilar los datos han cambiado comparativamente poco. Los instrumentos modernos suelen volar en de Havilland Canada DHC-6 Twin Otters, que son turbohélices bimotores, o en Basler BT-67, que son Douglas DC-3 modificados. (Algunos Baslers que vuelan en misiones en la Antártida hoy volaron en misiones de la Segunda Guerra Mundial en su vida pasada). Y si bien el apoyo a estas operaciones varía según el país, la demanda de nuevos datos está superando la capacidad de los aviones tripulados para recopilarlos, al menos con un precio. etiqueta que no lo pone fuera del alcance de todas las operaciones excepto las mejor financiadas.

Recopilar esos datos hoy en día no debería ser tan difícil.

Es por eso que otros estudiantes y yo en el laboratorio de Radio Glaciología de Stanford de Dustin Schroeder estamos desarrollando varios sistemas novedosos de radar de penetración de hielo, incluido Peregrine.

Peregrine es un UAV modificado que lleva un radar de penetración de hielo miniaturizado que diseñamos alrededor de una radio definida por software. El sistema de radar pesa menos de un kilogramo, una pluma en comparación con los sistemas IPR convencionales, que ocupan bastidores completos de equipos en aviones tripulados. El paquete completo (dron más sistema de radar) cuesta sólo unos pocos miles de dólares y se empaqueta en un solo estuche resistente, aproximadamente del tamaño de una maleta facturada grande.

Pero para comprender realmente por qué sentimos que necesitábamos sacar Peregrine al mundo ahora, es necesario saber un poco sobre la historia de la recopilación de datos con radares de penetración de hielo.

Los primeros estudios de propiedad intelectual a gran escala en la Antártida comenzaron a finales de la década de 1960, cuando un grupo de geocientíficos estadounidenses, británicos y daneses montaron un conjunto de antenas de radar bajo las alas de un C-130. Antes del GPS, el proyecto registraba rutas de vuelo utilizando sistemas de navegación internos y puntos de referencia terrestres conocidos. El sistema registró los retornos del radar utilizando un tubo de rayos catódicos modificado para escanear un carrete de película óptica que pasaba, que los investigadores complementaron con notas escritas a mano. Este esfuerzo produjo cientos de rollos de película y montones de cuadernos.

Después de que finalizó el proyecto en 1979, varios programas nacionales comenzaron a realizar estudios regionales tanto de la Antártida como de Groenlandia. Aunque inicialmente tenían un alcance limitado, estos programas crecieron y, lo que es más importante, comenzaron a recopilar datos digitalizados etiquetados con coordenadas GPS.

El glaciar Slakbreen, ubicado en el archipiélago noruego de Svalbard [vista ampliada] en la parte más fría del país, fue seleccionado para probar Peregrine porque era poco probable que contuviera agua líquida, lo que interferiría con la obtención de imágenes del lecho de roca debajo.

A finales de la década de 2000, las encuestas sobre derechos de propiedad intelectual recibieron un impulso inesperado. ICESat perdió un altímetro láser después de sólo 36 días de recopilación de datos en 2003, y a finales de 2009 todos los láseres del satélite habían dejado de funcionar. Los problemas de la altimetría láser no parecen tener conexión con los estudios de DPI desde aviones. Pero como todavía faltan años para el lanzamiento de ICESat-2 y un entorno político favorable para la financiación pública de las ciencias terrestres en los Estados Unidos, la NASA organizó la Operación IceBridge, una campaña a gran escala basada en aviones para cubrir la brecha de datos de altimetría láser en Groenlandia y Antártida.

Aunque el objetivo principal era recopilar altimetría láser, el uso de aviones en lugar de satélites significó que se pudieran agregar fácilmente otros instrumentos. En ese momento, dos instituciones estadounidenses (el Instituto de Geofísica de la Universidad de Texas y el Centro de Teledetección y Sistemas Integrados (CReSIS) de la Universidad de Kansas) habían estado desarrollando instrumentos mejorados de DPI, por lo que IPR estaba listo para incorporarse.

Entre 2009 y 2019, el avión de la Operación IceBridge voló más de 350.000 kilómetros sobre la Antártida mientras recopilaba datos de DPI. Durante este mismo período, el programa de Investigación de la Evolución Criosférica de la Placa Antártica Central (ICECAP) de la Fundación Nacional de Ciencias financió más de 250.000 kilómetros de datos adicionales de DPI antárticos.

La Operación IceBridge permitió un enorme aumento en la cantidad de datos sobre DPI recopilados en todo el mundo. Mientras que otras organizaciones de todo el mundo también recopilaron y continúan recopilando datos de DPI, en particular el British Antártico Survey y el Instituto Alfred Wegener, IceBridge hizo que la recopilación de datos liderada por Estados Unidos pasara de ser casi insignificante en la mayoría de los años a convertirse en la principal fuente de datos mientras el proyecto estaba en funcionamiento.

Mientras Peregrine se eleva en el aire sobre el glaciar Slakbreen, las antenas rojas del sistema son claramente visibles debajo de las alas.Eliza Dawson

En 2018, se lanzó IceSat-2, anunciando el final de la Operación IceBridge. Continuaron algunas encuestas de DPI, pero el ritmo de recopilación de datos desde 2018 se ha retrasado significativamente con respecto a la demanda científica de tales observaciones.

A la necesidad de mejores herramientas de monitoreo del hielo se suma un cambio reciente en el tipo de datos de DPI que los científicos consideran importantes. Históricamente, estas mediciones de radar se han utilizado para identificar el espesor del hielo sobre su lecho de roca o sedimento.

La topografía del lecho, con algunas excepciones, no cambia en escalas de tiempo relevantes para las personas. Por lo tanto, la recopilación de este tipo de datos de DPI podría ser generalmente un ejercicio único, o al menos poco frecuente, que finalizaría una vez que se hubieran recopilado suficientes datos para construir un mapa suficientemente detallado del lecho de un glaciar o capa de hielo.

Pero la profundidad del hielo hasta el lecho no es la única información importante escondida debajo de la superficie. Por un lado, los datos del IPR revelan capas internas en el hielo causadas por cambios en la composición de la nieve que cayó. La forma de estas capas internas proporciona pistas sobre los flujos de hielo actuales y pasados.

Peregrine voló en un patrón [izquierda, línea roja] que abarcaba un área de aproximadamente 0,6 kilómetros cuadrados sobre el glaciar Tellbreen, también en el archipiélago de Svalbard. El radar de penetración de hielo del dron mapeó el suelo debajo del glaciar y también las capas dentro de él. La visualización tridimensional [derecha] creada a partir de los datos muestra esas capas como líneas tenues y el lecho de roca como una línea más brillante. Izquierda: Chris Philpot; fuente: Laboratorio de Radioglaciología de Stanford; Derecha: Thomas Teisberg

Los científicos también pueden observar la reflectividad del lecho, lo que puede revelar la probabilidad de que haya agua líquida allí. Y la presencia de agua puede dar indicaciones sobre la temperatura del hielo circundante. La presencia de agua juega un papel crucial en la rapidez con la que fluye un glaciar, porque el agua puede lubricar la base del glaciar, provocando un deslizamiento más rápido y, en consecuencia, una pérdida de masa más rápida.

Todas estas son observaciones dinámicas que pueden cambiar anualmente o incluso estacionalmente. Por lo tanto, realizar un solo estudio de radar cada pocos años no será suficiente.

Recopilar datos con mayor frecuencia utilizando únicamente vuelos tripulados es difícil: son costosos y desafiantes desde el punto de vista logístico y, en entornos hostiles, ponen a las personas en riesgo. La pregunta principal sobre cómo reemplazar los aviones tripulados es en qué dirección ir: ¿hacia arriba (una constelación de satélites) o hacia abajo (una flota de vehículos aéreos no tripulados)?

Un puñado de satélites podrían proporcionar cobertura global y mediciones repetidas frecuentes durante muchos años, pero no es la plataforma ideal para radares de penetración de hielo. Para obtener la misma potencia por unidad de área en la superficie del hielo que un transmisor de 1 vatio en un UAV que vuela a una altitud de 100 metros, un satélite en órbita a 400 kilómetros necesitaría un transmisor de aproximadamente 15 megavatios; eso es más de tres veces la potencia máxima para la que la Comisión Federal de Comunicaciones ha autorizado los satélites Starlink de SpaceX.

Otro desafío es el desorden. Imagine que tiene una antena que emite energía principalmente dentro de un cono de 10 grados. Estás intentando observar el fondo de la capa de hielo a 1,5 km por debajo de la superficie del hielo, pero hay una cadena montañosa a 35 km de distancia. A partir de 400 km de altura, esa cadena montañosa también está iluminada por su antena y refleja energía con mucha más fuerza que el eco del fondo de la capa de hielo, que se ve atenuado por los 1,5 km de hielo que atravesó en cada sentido.

En el otro extremo del espectro de opciones están los vehículos aéreos no tripulados, que vuelan incluso más cerca del hielo que los aviones con tripulación. Los investigadores han estado interesados ​​en el potencial de los sistemas de radar instalados en vehículos aéreos no tripulados para obtener imágenes del hielo durante al menos una década. En 2014, CReSIS envió un avión radiocontrolado de 5 metros de envergadura con una versión miniaturizada de su sistema IPR. El diseño hizo un uso inteligente de la geometría del ala existente para proporcionar antenas de baja frecuencia, aunque con un ancho de banda pequeño que limitaba la calidad de los datos.

Desde esta demostración de búsqueda de caminos, gran parte del enfoque de la investigación se ha desplazado hacia sistemas de mayor frecuencia, a veces llamados radares de nieve, diseñados para obtener imágenes de la superficie cercana para comprender mejor las capas de nieve de las montañas, la capa de nieve sobre el hielo marino y la estructura de capas en los pocos metros superiores. de capas de hielo. CReSIS ha probado su radar de nieve en un pequeño helicóptero autónomo; más recientemente, se asoció con la NASA y Vanilla Unmanned para volar su radar de nieve en un enorme UAV de 11 metros de envergadura que puede permanecer en el aire durante días seguidos.

Sin embargo, todavía existe la necesidad de obtener imágenes de propiedad intelectual a través de capas de hielo, con un ancho de banda lo suficientemente alto como para distinguir las capas internas y un precio que permita su uso generalizado.

La radio definida por software y otros componentes electrónicos que componen el radar de penetración de hielo, protegidos para evitar interferencias con las señales de GPS, se encuentran en la nariz.Chris Philpot

Aquí es donde entra en juego Peregrine. El proyecto se inició en 2020 para construir un sistema más pequeño y asequible que los intentados anteriormente, que ahora es posible gracias a los avances en los vehículos aéreos no tripulados de ala fija y la electrónica miniaturizada.

Sabíamos que no podíamos hacer el DPI con sistemas disponibles en el mercado. Tuvimos que empezar desde cero para desarrollar un sistema que fuera lo suficientemente pequeño y ligero como para caber en un UAV económico.

Decidimos utilizar tecnología de radio definida por software (SDR) para nuestros radares porque estos transmisores y receptores de RF son altamente personalizables y trasladan gran parte de la complejidad del sistema del hardware al software. Usando un SDR, un sistema de radar completo puede caber en unas pocas placas de circuito pequeñas.

Desde el principio, miramos más allá de nuestro primer proyecto, desarrollando software construido sobre la interfaz de programación de aplicaciones del controlador de hardware USRP de Ettus, que se puede utilizar con una variedad de radios definidas por software, cuyo costo oscila entre 1.000 y 30.000 dólares estadounidenses y en masa desde decenas de gramos a varios kilogramos.

Thomas Teisberg está acurrucado frente a un ordenador portátil, parcialmente protegido del frío por una pequeña tienda de campaña [izquierda]. El trípode soporta la radio utilizada para comunicarse con el dron. Más tarde, Teisberg lleva a Peregrine de regreso al equipo después de un vuelo de prueba [derecha]. La prueba se realizó como parte de un curso de campo ofrecido por el Centro Universitario de Svalbard (UNIS). Eliza Dawson

Agregamos una computadora de placa única Raspberry Pi para controlar nuestra radio definida por software. La Raspberry Pi también se conecta a una red de sensores de temperatura, para que podamos estar seguros de que nada en nuestro sistema se calienta o enfría demasiado.

El SDR en sí tiene dos lados, uno para transmitir la señal del radar y otro para recibir los ecos, cada uno de los cuales se conecta a nuestras antenas personalizadas a través de amplificadores y filtros. Todo este sistema pesa poco menos de 1 kilogramo.

Esas antenas fueron difíciles de diseñar. Las antenas IPR requieren frecuencias relativamente bajas (porque las frecuencias más altas se ven atenuadas más significativamente por el hielo) y tienen anchos de banda relativamente amplios (para lograr una resolución de rango suficiente). Normalmente, estos criterios significarían una antena grande, pero nuestro pequeño UAV no podría soportar una antena grande y pesada.

Empecé considerando una antena tipo pajarita estándar, un tipo comúnmente utilizado en sistemas de radar terrestres. El diseño inicial era demasiado grande para que quepa incluso una antena, y mucho menos dos, en nuestro pequeño UAV. Entonces, usando un modelo digital de la antena, ajusté la geometría para encontrar un compromiso aceptable entre tamaño y rendimiento, al menos según el software de simulación que estaba usando.

También construí varios prototipos a lo largo del camino para comprender cómo el rendimiento real de la antena podría diferir de mis simulaciones. El primero de ellos lo hice con cinta de cobre cortada y pegada sobre láminas de plástico. Las versiones posteriores y finales las fabriqué como placas de circuito impreso. Después de algunas iteraciones, tenía una antena funcional que podía montarse plana debajo de cada ala de nuestro diminuto avión.

Para el dron, comenzamos con un kit para un avión radiocontrolado X-UAV Talon, que incluía un fuselaje de espuma, un conjunto de cola y alas. Sabíamos que cada pieza de material conductor en el avión afectaría el desempeño de la antena, tal vez de manera indeseable. Las pruebas demostraron que el larguero de fibra de carbono entre las alas y los cables de los servomotores en cada ala estaban creando caminos conductores problemáticos entre las antenas, por lo que reemplazamos el larguero de fibra de carbono por uno de fibra de vidrio y agregamos perlas de ferrita en el cableado del servo. para actuar como filtros de paso bajo.

Pensé que estábamos listos. Pero cuando llevamos nuestro UAV a un campo cerca de nuestro laboratorio, descubrimos que no podíamos localizar el GPS del dron cuando el sistema de radar estaba activo. Después de cierta confusión inicial, descubrimos la fuente de la interferencia: la interfaz USB 3.0 de nuestro sistema. Para resolver este problema, diseñé una caja de plástico para encerrar la Raspberry Pi y el SDR, la imprimí en 3D y la envolví en una fina capa de cinta de cobre. Eso protegió lo suficiente el problemático circuito USB como para evitar que interfiriera con el resto de nuestro sistema.

Finalmente, pudimos volar nuestro pequeño dron radar sobre el lecho de un lago seco en el campus de Stanford. Aunque nuestro sistema no puede obtener imágenes a través de la tierra, pudimos obtener un fuerte reflejo de la superficie y en ese momento supimos que teníamos un prototipo funcional.

Thomas Teisberg revisa algunos de los datos registrados por Peregrine. La pequeña caja sobre su escritorio con cables conectados es parte de la carga útil de Peregrine, un paquete que incluye una radio definida por software, una Raspberry Pi y otros dispositivos electrónicos envueltos en un blindaje de cobre. En este rastreo bidimensional de los datos [arriba], la superficie del hielo y la forma del lecho de roca son claramente visibles. Arriba: Thomas Tesiberg; Arriba: Mai Bui

Llevamos a cabo nuestras primeras pruebas en el mundo real seis meses después, en la capa de hielo Vatnajökull de Islandia, gracias a la ayuda y generosidad de los colaboradores locales de la Universidad de Islandia y una subvención de la NASA. Ese era un buen lugar, porque de vez en cuando, una erupción volcánica cercana arroja material volcánico conocido como tefra sobre la superficie de la capa de hielo. Esa tefra eventualmente queda enterrada bajo nieve nueva y forma una capa debajo de la superficie. Pensamos que estos estratos servirían como un buen sustituto de las capas internas que se encuentran en el hielo de Groenlandia y la Antártida. Aunque la abundancia de agua líquida en el hielo relativamente cálido de Vatnajökull impidió que nuestro sistema sondeara a más de decenas de metros debajo de la superficie, estas capas de tefra fueron evidentes en nuestros sondeos de radar.

Pero estos primeros ensayos no fueron siempre bien. Después de uno de nuestros vuelos de prueba, descubrí que los datos que habíamos recopilado eran casi en su totalidad ruido. Probamos todos los componentes y cables, hasta que descubrí que el blindaje de uno de los cables coaxiales se había roto y solo hacía una conexión de forma intermitente. Con un cable de repuesto y una generosa aplicación de pegamento caliente, pudimos completar el resto de nuestras pruebas.

Para nuestra siguiente ronda de pruebas, nuestro objetivo era obtener imágenes del lecho de roca debajo de un glaciar, no solo de las capas internas. Y es por eso que, en marzo de este año, terminamos en un glaciar en la parte más fría de Noruega, donde era menos probable que el agua líquida dentro del hielo interfiriera con nuestras mediciones. Allí pudimos fotografiar el lecho del glaciar, a unos 150 metros por debajo de la superficie donde volábamos. Fundamentalmente, también nos convencimos de que nuestro sistema funcionará correctamente en los duros entornos que esperamos que enfrente en la Antártida y Groenlandia.

Nuestro sistema actual es relativamente pequeño. Fue diseñado para ser económico y portátil, de modo que los equipos de investigación puedan llevarlo fácilmente en expediciones a lugares remotos. Pero también queríamos que sirviera como banco de pruebas para un sistema IPR más grande a bordo de vehículos aéreos no tripulados con un alcance operativo de unos 800 km, uno que sea lo suficientemente económico como para ser implementado permanentemente en estaciones de investigación antárticas. Con las 11 estaciones de investigación existentes como bases, al menos un miembro de dicha flota de drones podría acceder a casi todas las partes de la costa de la Antártida. Aunque es más grande y más caro que nuestro Peregrine original, este UAV de próxima generación seguirá siendo mucho más barato y más fácil de operar que los sistemas aéreos tripulados.

Operar un UAV más grande, y mucho menos una flota de ellos, está más allá de lo que algunos Ph.D. solo los estudiantes pueden hacerlo razonablemente, por lo que estamos lanzando un esfuerzo de colaboración entre la Universidad de Stanford, el Instituto de Oceanografía Scripps y Lane Community College, en Eugene, Oregon, para hacer despegar esta nueva plataforma. Si todo va bien, esperamos poder tener vehículos aéreos no tripulados de IPR inspeccionando las capas de hielo de la Antártida y Groenlandia dentro de tres años. Sin duda, hacerlo ayudaría a los científicos a estudiar las respuestas de las capas de hielo de la Tierra al cambio climático. Con los UAV desplegados permanentemente y capaces de cubrir la mayoría de las áreas de estudio activo, las solicitudes de nuevos datos podrían satisfacerse en cuestión de días. Las encuestas podrían repetirse a intervalos frecuentes en áreas dinámicas. Y cuando ocurren eventos rápidos e impredecibles, como el colapso de una plataforma de hielo, se podría desplegar un UAV para recopilar datos de radar en tiempo real.

Tales observaciones simplemente no son posibles hoy en día. Pero Peregrine y sus sucesores podrían hacerlo posible. Tener la capacidad de recopilar este tipo de datos de radar ayudaría a los glaciólogos a resolver incertidumbres fundamentales en la física de las capas de hielo, mejorar las proyecciones del aumento del nivel del mar y permitir una mejor toma de decisiones sobre mitigaciones y adaptaciones para el clima futuro de la Tierra.