Создан аналог GPS для применения под водой. Ему не нужен источник питания — Naked Science
8 минут
Василий Парфенов

Создан аналог GPS для применения под водой. Ему не нужен источник питания

Системы спутниковой навигации радикально изменили наше представление о мире. Любой современный гаджет может узнать свое местоположение с точностью до пары метров. И при этом всегда есть возможность синхронизировать время с атомными часами. Однако эта «волшебная палочка» не работает на 71% территории планеты — под водой. Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) смогли решить эту проблему. Причем одновременно избавившись от необходимости в источнике питания.

Прототип пьезоэлектрического отражателя системы UBL
Прототип пьезоэлектрического отражателя системы UBL / ©Reza Ghaffarivardavagh / MIT

Для ориентирования на глубине более нескольких метров любым аппаратам — буям, зондам, подводным лодкам и различным роботам — приходится опираться на сложные системы. Они включают в себя гидроакустическое оборудование, инерциальные системы навигации и заложенные в память карты известных участков морского дна. Во многих случаях такой подход требует регулярной корректировки во время всплытия или при помощи коммуникации с надводным судном.

Беда в том, что вода — мощное препятствие для радиоволн практически любой частоты. Военные использовали сверхдлинные волны для передачи коротких сообщений. Но этот метод требует колоссальных размеров передающей антенны и крайне неэффективен. Приемник же должен иметь размеры порядка сотен метров. В арсенале АПЛ могут быть буксируемые буи на длинных тросах, а более компактным аппаратам такая роскошь не по плечу.

Обычно для связи с батискафами или подводными роботами используют длинный кабель. Небольшие зонды или буи для передачи данных всплывают на поверхность, откуда их при желании можно даже забрать. А вот со специальными метками для отслеживания морских животных все еще сложнее. Кита трудно заставить плавать по предсказуемому маршруту. И тем более спокойно ждать, пока биологии заменят батарейку в датчике.

Иными словами, спектр проблем понятен — привычные решения для передачи данных и определения местоположения неэффективны. А проверенные временем методы с использованием гидроакустического оборудования энергозатратны. Тем не менее, как пишет портал ZDNet, инженеры из MIT смогли убить двух зайцев одним выстрелом. Разработанная ими система называется Underwater backscatter localization (UBL, подводная локализация на основе обратного рассеяния).

Секрет заключается в хитром использовании звуковых волн и пьезоэлектриков. Вопреки обыкновению, новый датчик не излучает сам, а лишь отражает принятые сигналы. Когда до UBL в толще воды доходят звуковые волны определенной частоты, в пьезоэлектрических элементах возникает ток. Его достаточно, чтобы отправить в окружающее пространство «копию» полученных колебаний. При необходимости зонд можно сконструировать так, чтобы он подзаряжал батареи для полезной нагрузки за счет фоновых шумов океана.

В результате задача определения местоположения датчика ложится на более продвинутый излучатель. Он может находиться на корабле или на суше, где нет проблем с работой GPS и получением необходимой энергии. Триангуляция датчика производится просто по задержке между отправкой сигнала и получением «отражения». Конечно, все так складно только в теории. На практике американским ученым пришлось столкнуться с целой прорвой сложностей.

Пьезоэлектрики — не самые простые материалы, с которыми работают инженеры. Помимо всего прочего, количество времени, необходимого на активацию (возникновение электрического тока в кристалле) и отражение сигнала, всегда требуется разное. Чтобы обойти эту особенность пьезоэлектрических датчиков, разработали особый метод.

Сигнал отправляется на датчик сразу в определенном диапазоне волн, а не на одной частоте. Волны разной длины возвращаются на приемопередатчик в разной фазе, применив к ним обратные преобразования Фурье, можно точно установить расстояние до отражателя. Еще одна пока не решенная проблема UBL — снижение точности определения местоположения на мелководье. Звуковые волны переотражаются от морского дна и вносят сильные помехи, иногда вовсе заглушая сигнал.

Ученые из MIT обещают что-нибудь придумать, чтобы разобраться и с этой сложностью. Пока что во время экспериментов была достигнута сантиметровая точность геолокации с помощью UBL. Каким будет коммерческое воплощение технологии, пока сказать трудно. Очевидно одно: благодаря ей станут возможны дешевые, точные и массовые зонды для исследования дна Мирового океана.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 08:57
7 минут
СФУ

Ученые Сибирского федерального университета в составе международной группы изучили двумерные полимеры на основе тетраоксо[8]циркулена и атомов s-металлов таблицы Менделеева с помощью квантово-химического моделирования. Выяснилось, что модификация поверхности полимера тетраоксо[8]циркулена атомами кальция приводит к появлению сверхпроводимости при температуре ниже 14,5 К и возможной реализации двухуровневой системы на атомах кальция, перспективной для построения квантовых битов и последующей реализации в квантовых компьютерах.

2 часа назад
4 минуты
Сергей Васильев

На очередных испытаниях прототип Starship впервые совершил успешную посадку, после чего сразу взорвался. Эксперты связывают аварию с отказавшим клапаном одного из топливных баков.

Позавчера, 22:13
6 минут
Мария Азарова

Опрос среди совершеннолетних жителей разных российских регионов показал, что 64 процента из них не верят в естественное происхождение коронавируса — главным образом эта категория представлена людьми старше 40 лет.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

26 февраля
8 минут
Мария Азарова

Математическое моделирование позволило подсчитать, что большинство случаев тяжелого течения коронавирусного заболевания и госпитализаций по этой причине в США оказались связаны с одним из четырех кардиометаболических нарушений, а главным образом — с ожирением.

Позавчера, 10:00
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: