Wissenschaftler erfinden eine neue Methode zur Messung des Flussflusses

Ein Team aus Wissenschaftlern und Ingenieuren der NASA und des United States Geological Survey (USGS) arbeitete zusammen, um herauszufinden, ob eine kleine gesteuerte Drohne, ausgestattet mit einer speziellen Nutzlast, dabei helfen könnte, detaillierte Karten der Wasserströmungsgeschwindigkeit zu erstellen. Flüsse versorgen unsere Gemeinden und Bauernhöfe mit frischem Wasser, versorgen eine Vielzahl von Tieren, transportieren Menschen und Güter und erzeugen Strom.

Aber auch Flussläufe können Schadstoffe flussabwärts transportieren oder plötzlich ansteigen und so eine Gefahr für Menschen, Wildtiere und Eigentum darstellen. Während die NASA ihr kontinuierliches Engagement für ein besseres Verständnis unseres Planeten fortsetzt, arbeiten Forscher an der Beantwortung der Frage, wie wir über Schwankungen der Flussströmung und -geschwindigkeit informiert bleiben können.

Wissenschaftler der NASA und des USGS haben sich zusammengetan, um eine Reihe von Instrumenten zu entwickeln, die etwa die Größe einer Gallone Milch haben und als River Observing System (RiOS) bezeichnet werden. Es umfasst Wärme- und Sichtkameras zur Verfolgung der Bewegung von Wasseroberflächenelementen, einen Laser zur Höhenmessung, Navigationssensoren, einen Bordcomputer und ein drahtloses Kommunikationssystem. Im Jahr 2023 brachten Forscher RiOS ins Feld, um es entlang eines Abschnitts des Sacramento River in Nordkalifornien zu testen, und planen, im Herbst 2024 zu einem dritten und letzten Feldtest zurückzukehren.

„Der Einsatz von RiOS über einem Fluss zur Bewertung der Systemleistung in einer realen Umgebung ist äußerst wichtig“, sagte Carl Legleiter, USGS-Hauptforscher für das gemeinsame StreamFlow-Projekt von NASA und USGS. „Bei diesen Testflügen haben wir gezeigt, dass die Bordnutzlast dazu genutzt werden kann, Berechnungen – die Analyse – nahezu in Echtzeit durchzuführen, während die Drohne über den Fluss fliegt. Dies war eines unserer Hauptziele: eine minimale Latenz zwischen dem Zeitpunkt der Bildaufnahme und dem Zeitpunkt, an dem wir detaillierte Informationen über aktuelle Geschwindigkeiten und Strömungsmuster im Fluss haben, zu ermöglichen. »

Um diese Vision des Embedded Computing zu verwirklichen, verwendet das Team Open-Source-Software in Kombination mit eigenem Code, um Karten der Wasseroberflächengeschwindigkeiten oder Strömungsfelder aus einer Reihe von Bildern zu erstellen, die im Laufe der Zeit aufgenommen wurden.

„Man könnte meinen, dass man in der Lage sein muss, diskrete physische Objekte – wie Stöcke, Schlick oder andere Trümmer, die sich flussabwärts bewegen – zu sehen, um die Strömungsgeschwindigkeit abzuschätzen, aber das ist nicht immer der Fall und das ist nicht immer möglich“, sagte Legleiter. „Mit einer hochempfindlichen Infrarotkamera erfassen wir stattdessen die Bewegung subtiler Temperaturunterschiede im flussabwärts transportierten Wasser. »

Dieselben winzigen Temperaturunterschiede treten auch überall dort auf, wo es Wellen gibt, beispielsweise an der Grenze zwischen Luft und Wasser oder Eis darunter. Mit diesem Wissen nutzten Mitglieder des StreamFlow-Teams der NASA dieses Phänomen zu ihrem Vorteil, als sie Methoden für mögliche zukünftige Planetenlandemissionen entwickelten, um durch entfernte, schwer einsehbare Umgebungen zu navigieren, einschließlich des eisigen Mondes Europa, der den Jupiter umkreist.

„Vereiste Oberflächen stellen schwierige visuelle Bedingungen dar, beispielsweise mangelnden Kontrast“, sagte Uland Wong, Co-Forscher und StreamFlow-Projektmanager am NASA Ames Research Center im kalifornischen Silicon Valley. „Unsere Technologie kann die statische Oberfläche von vereistem Gelände beim Überfliegen oder eine sich bewegende Oberfläche wie Wasser beim Schweben darüber genau verfolgen, um die Sicherheit des Raumfahrzeugs zu gewährleisten und gleichzeitig wertvolle Daten zu sammeln.“ »

Zur Vorbereitung auf die Feldtests am Sacramento River baute das NASA-Team einen Robotersimulator, um Tausende virtuelle Drohnenflüge über dem Testgelände am Sacramento River unter Verwendung von vom USGS modellierten Strömungsfeldern durchzuführen. Diese Simulationen helfen dem Team, intelligente Software zu entwickeln, die die besten Flugrouten für die Drohne auswählen und eine effiziente Nutzung der begrenzten Batterieleistung gewährleisten kann.

Der nächste Schritt der Partnerschaft besteht darin, dass die NASA Techniken entwickelt, um das System autonomer zu machen. Mithilfe von an Bord in Echtzeit durchgeführten Flussberechnungen wollen die Forscher die Drohne bei ihrer nächsten Mission steuern.

„Steigt die Drohne herab, um Daten mit höherer Auflösung an einem bestimmten Ort zu erhalten, oder bleibt sie hoch oben, um eine Weitwinkelansicht aufzunehmen? fragte Wong. „Wenn die Drohne Gebiete identifiziert, in denen das Wasser besonders schnell oder langsam fließt, könnte sie dann überschwemmte Gebiete schneller erkennen? »

Das USGS betreibt derzeit ein riesiges Netzwerk aus Tausenden automatisierten Bachmessgeräten und fest installierten Kameras, die auf Brücken und Flussufern installiert sind, um die Flussflüsse im ganzen Land in Echtzeit zu überwachen.

„Drohnen könnten es uns ermöglichen, Messungen in mehr Bereichen durchzuführen, wodurch unser Netzwerk möglicherweise größer, robuster und sicherer für die Überwachung und Wartung durch unsere Techniker wird“, sagte Paul Kinzel, StreamFlow-Co-Ermittler am USGS. „Drohnen könnten uns dabei helfen, unsere Mitarbeiter und Ausrüstung zu schützen und uns darüber zu informieren, wie sich die Umwelt an möglichst vielen Orten im Laufe der Zeit verändert. »