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 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 то 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».