Технології
Технології

Гусеничний підводний робот оцінив вуглецевий цикл Тихого океану

Американські дослідники представили результати роботи автономного гусеничного робота Benthic Rover II, який п'ять років досліджував дно Тихого океану на глибині чотирьох кілометрів. З його допомогою вдалося оцінити чинники, що впливають на глибоководний вуглецевий цикл, як-то концентрація розчиненого у воді кисню, здатність океану поглинати вуглекислий газ, температуру і кількість фітопланктону. Його заряду вистачає на рік безперервної роботи, за час якої він передає дані пристрою на поверхні води, звідки ті, через супутник, отримують дослідники. Оцінку роботи Benthic Rover II вчені опублікували у Science Robotics, де він потрапив на обкладинку випуску.

MBARI

MBARI

Що це за робот?

Розробка робота Benthic Rover II або BR-II — результат 25-річної роботи команди дослідницького інституту океанаріуму Монтерей, що у Каліфорнії (Monterey Bay Aquarium Research Institute). Це автономний робот вагою більш як 1800 кілограмів (що у воді, втім, всього 68 кілограмів) і у півтора метра у висоту та 2,6 метра завширшки. Він має дві гусениці для пересування дном Тихого океану та здатний витримати занурення на шість кілометрів углиб.

Останні п'ять років він працює на глибині чотирьох кілометрів поблизу узбережжя центральної Каліфорнії. BR-II був спеціально розроблений для роботи в холодних, корозійних умовах та умовах високого тиску. Причому його конструкція призначена для невеликого контактного тиску на поверхню дна, так що робот за собою залишає лише два невеликі сліди на мулистому грунті. Заряду його акумуляторів вистачає на рік, тому щороку його витягують на дві доби на поверхню, щоб потім знову повернути до роботи.

BR-II запускається з надводного корабля і падає через товщу води, опускаючись на потрібну глибину за дві години. Типова місія починається з того, що BR-II переходить від місця посадки до нового, незайманого місця, у чому йому допомагає течія. Робот підтримує постійний курс за компасом, щоб уникнути перетину власних шляхів та відбору проб у місцях, де він уже бував.

Робота готують до занурення. Smith Jr. et al. / Science Robotics, 2021

Робота готують до занурення. Smith Jr. et al. / Science Robotics, 2021

Що він має досліджувати?

Насправді про екстремальні місця на Землі нам відомо іноді навіть менше, ніж ми знаємо про Всесвіт за межами нашої планети. Однак саме процеси у надрах Землі мають прямий вплив на наші життя. Океанські глибини покривають понад 65 відсотків земної кулі та відіграють важливу роль у глобальному вуглецевому циклі, на який нині сильно впливає збільшення викидів вуглекислого газу і, як наслідок, змінюється клімат.

Щоб зрозуміти поточні процеси в глибинах океану та змоделювати майбутні зміни у вуглецевому циклі, у тому числі здатність океану поглинати атмосферний вуглекислий газ, необхідні довгострокові спостереження. Проте високий гідростатичний тиск, низька температура, відсутність світла та постійна корозійна загроза для приладів – серйозні перешкоди для тривалого моніторингу.

Окрім захисту від суворих умов океану, для дослідницької роботи BR-II наділили приладами для оцінки течії (за ними він орієнтується у воді), респірометрами і оптометрами, за якими робот оцінює виділений морськими жителями вуглекислий газ і концентрацію у воді кисню, а також камерами, які приносять світлини океанічного дна і дані про кількість фітопланктону. Отриману інформацію BR-II за запитом передає на невеликий планер на поверхні води, звідки дослідники вже через супутник її отримують.

Схема роботи з BR-II. K. L. Smith Jr. et al. / Science Robotics, 2021

Схема роботи з BR-II. K. L. Smith Jr. et al. / Science Robotics, 2021

Що йому вдалося дізнатися?

Ефективність BR-II оцінювалася за чотирма критеріями: пройдена відстань, якість отриманих камерою зображень та якість даних із інструментів. Відсоток очікуваної та фактичної пройденої відстані варіювався від 0 до 98,5 відсотка і вже у листопаді 2020 року роботу вдалося пройти 1640 метрів. Успіх вимірювань камерз обох боків робота сильно варіювався у перші п'ять років експлуатації, але з 2015 року став стабільно високим, від 96 до 100 відсотків. Тому вже з листопада 2015 року, коли BR-II впевнено можна було запускати щороку, ефективність роботи постійно перевищувала 98 відсотків.

Сфотографована BR-II риба роду Coryphaenoides. / MBARI

Сфотографована BR-II риба роду Coryphaenoides. / MBARI

Характеристики придонної води залишалися відносно стабільними протягом усього періоду роботи BR-II на океанічному дні. Але концентрація розчиненого кисню в донній воді була набагато мінливішою, і помітне зменшення розчиненого кисню відповідає 30-річним спостереженням за цієї областю океану. Це одна з найбільш важливих змін, що відбуваються в океані, яка все більше змінюється в результаті діяльності людини. Його зменшення може викликати серйозні зміни в продуктивності океану, його біорізноманітті та біогеохімічних циклах. Аналіз прямих вимірювань по всьому світу показує, що зони мінімального вмісту кисню у відкритому океані розширюються на кілька мільйонів квадратних кілометрів і що у сотнях прибережних ділянок нині концентрація кисню вже достатньо низька, щоб обмежити поширення та чисельність популяцій тварин та змінити колообіг важливих поживних речовин. І принесені BR-II дані лише підтверджують цю тенденцію.

Глобальна мапа прибережних зон, де концентрація кисню катастрофічно падає (червоні точки), а також зони кисневого мінімуму на глибині 300 метрів (заштриховані синім). R. Diaz / World Ocean Atlas, 2009

Глобальна мапа прибережних зон, де концентрація кисню катастрофічно падає (червоні точки), а також зони кисневого мінімуму на глибині 300 метрів (заштриховані синім). R. Diaz / World Ocean Atlas, 2009

Концентрацію фітопланктону оцінювали за його флуоресценцією, яку виявляли за допомогою синіх діодів на борту робота. Так виявилось, що в період з листопада 2015 по 2020 рік відбулося значне збільшення кількості фітопланктону, що у свою чергу сприяє накопиченню біомаси фітопланктону та виснаженню запасів кисню.

Відмінності в отриманих даних BR-II показують, що невеликі спостережні кампанії не здатні виявити зміни, які призводять до довгострокових і критично важливих для визначення вуглецевого циклу в глибинах океану. Тенденція до зниження розчиненого кисню є критичним параметром і матиме вирішальне значення для прогнозування змін клімату.

MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Institute) / YouTube

Це не перший пливучий робот, про якого ми розповідали. Так інженери схиляються до думки, що найкращими для роботи у суворих океанічних умовах є м'які роботи, які не відчувають тиску глибини і нещадного впливу солоної води. Тому, наприклад, на дно Маріанської западини пустили м'якого робота з плавниками, а подібних йому пристосовують для виготовлення повністю за допомогою 3D-принтера.


Фото в анонсі: MBARI