Navegando bajo el hielo ártico

submarino bajo el hielo del Ártico

Nuevo concepto integrado de navegación y comunicación acústica

Hay mucha actividad debajo de las vastas y solitarias extensiones de hielo y nieve en el Ártico. El cambio climático ha alterado drásticamente la capa de hielo que cubre gran parte del Océano Ártico. Las áreas de agua que solían estar cubiertas por una sólida capa de hielo ahora están cubiertas por delgadas capas de menos de 1 metro de espesor. Debajo del hielo, una capa de agua cálida, que forma parte de la lente Beaufort, ha cambiado la composición del medio acuático.

Para que los científicos comprendan el papel que juega este entorno cambiante en el Océano Ártico en el cambio climático global, es necesario mapear el océano debajo de la capa de hielo.

Un equipo de ingenieros y oficiales navales del MIT dirigido por Henrik Schmidt, profesor de ingeniería mecánica y oceánica, está tratando de comprender los cambios ambientales, su impacto en la transmisión acústica debajo de la superficie y cómo afectan estos cambios la navegación y la comunicación de los vehículos que viajan por debajo del hielo.

"Básicamente, lo que queremos entender es cómo afecta este nuevo entorno ártico provocado por el cambio climático global al uso del sonido submarino para la comunicación, la navegación y la detección", explica Schmidt.

Para responder a esta pregunta, Schmidt viajó al Ártico con miembros del Laboratorio de Sistemas Autónomos de Sensores Marinos (LAMSS), incluidos Daniel Goodwin y Bradli Howard, estudiantes graduados en el Programa Conjunto de la Institución Oceanográfica MIT-Woods Hole en ingeniería oceanográfica.

Con fondos de la Oficina de Investigación Naval, el equipo participó en ICEX, o Ejercicio sobre hielo, 2020, un programa de tres semanas organizado por la Marina de los EE. UU., donde personal militar, científicos e ingenieros trabajan codo con codo ejecutando una variedad de proyectos y misiones de investigación.

Una vía fluvial estratégica

El medio ambiente rápidamente cambiante en el Ártico tiene impactos de amplio alcance. Además de brindar a los investigadores más información sobre el impacto del calentamiento global y los efectos que tiene en los mamíferos marinos, el adelgazamiento del hielo podría abrir nuevas rutas de navegación y rutas comerciales en áreas que antes eran intransitables.

Quizás lo más crucial para la Marina de los EE. UU., comprender el entorno alterado también tiene importancia geopolítica.

"Si el medio ambiente del Ártico está cambiando y no lo entendemos, eso podría tener implicaciones en términos de seguridad nacional", dice Goodwin.

Hace varios años, Schmidt y su colega Arthur Baggeroer, profesor de ingeniería mecánica y oceánica, fueron de los primeros en reconocer que las aguas más cálidas, parte de Beaufort Lens, junto con la composición cambiante del hielo, afectaron la forma en que el sonido viajaba en el agua.

Para navegar con éxito por el Ártico, la Marina de los EE. UU. y otras entidades de la región deben comprender cómo estos cambios en la propagación del sonido afectan la capacidad de un vehículo para comunicarse y navegar por el agua.

Utilizando un vehículo submarino autónomo sin piloto (AUV) construido por General Dynamics-Mission Systems (GD-MS), y un sistema de sensores montados en boyas desarrollado por la Institución Oceanográfica Woods Hole, Schmidt y su equipo, junto con Dan McDonald y Josiah DeLange de GD-MS, se propuso demostrar un nuevo concepto integrado de navegación y comunicación acústica.

El marco de trabajo, que también fue apoyado y desarrollado por los miembros de LAMSS Supun Randeni, EeShan Bhatt, Rui Chen y Oscar Viquez, así como por el ex alumno de LAMSS Toby Schneider de GobySoft LLC, permitiría a los vehículos viajar a través del agua con precisión de nivel de GPS mientras emplean sensores oceanográficos para la recopilación de datos.

"Para demostrar que puede utilizar este concepto de navegación en el Ártico, primero debemos asegurarnos de que comprendemos completamente el entorno en el que estamos operando", agrega Goodwin.

Comprender el entorno a continuación

Después de llegar al campamento de hielo del Arctic Submarine Lab la primavera pasada, el equipo de investigación desplegó una serie de sondas de conductividad-temperatura-profundidad para recopilar datos sobre el medio ambiente acuático en el Ártico.

"Al usar la temperatura y la salinidad en función de la profundidad, calculamos el perfil de velocidad del sonido. Esto nos ayuda a comprender si la ubicación del AUV es buena o mala para la comunicación", dice Howard, quien fue responsable de monitorear los cambios ambientales en la columna de agua en todo el ICEX.

Debido a la forma en que el sonido se dobla en el agua, a través de un concepto conocido como Ley de Snell, las ondas de presión de tipo senoidal se acumulan en algunas partes de la columna de agua y se dispersan en otras. Comprender las trayectorias de propagación es clave para predecir buenas y malas ubicaciones para que opere el AUV.

Para mapear las áreas del agua con propiedades acústicas óptimas, Howard modificó la relación señal-ruido (SNR) tradicional mediante el uso de una métrica conocida como penalización por trayectos múltiples (MPP), que penaliza las áreas donde el AUV recibe ecos de los mensajes. Como resultado, el vehículo prioriza las operaciones en áreas con menos reverberación.

Estos datos permitieron al equipo identificar exactamente dónde se debe colocar el vehículo en la columna de agua para una comunicación óptima que resulte en una navegación precisa.

Mientras Howard recopilaba datos sobre cómo las características del agua impactan en la acústica, Goodwin se centró en cómo se proyecta y refleja el sonido en el hielo en constante cambio en la superficie.

Para obtener estos datos, el AUV fue equipado con un dispositivo que midió el movimiento del vehículo en relación con el hielo de arriba. Ese sonido fue captado por varios receptores conectados a amarres que colgaban del hielo.

Los investigadores utilizaron los datos del vehículo y los receptores para calcular exactamente dónde estaba el vehículo en un momento dado. Esta información de ubicación, junto con los datos que Howard recopiló sobre el entorno acústico en el agua, ofrecen un nuevo concepto de navegación para los vehículos que viajan por el Mar Ártico.

Protegiendo el Ártico

Después de una serie de reveses y desafíos debido a las condiciones implacables en el Ártico, el equipo pudo demostrar con éxito que su concepto de navegación funcionaba. Gracias a los esfuerzos del equipo, las operaciones navales y los futuros buques comerciales pueden aprovechar las condiciones cambiantes en el Ártico para maximizar la precisión de la navegación y mejorar las comunicaciones submarinas.

"Nuestro trabajo podría mejorar la capacidad de la Marina de los Estados Unidos para operar submarinos bajo el hielo de manera segura y eficaz durante períodos prolongados", dice Howard.

Howard reconoce que además de los cambios en el clima físico, el clima geopolítico continúa cambiando. Esto solo refuerza la necesidad de mejorar la navegación en el Ártico.

"El objetivo de la Marina de los Estados Unidos es preservar la paz y proteger el comercio mundial garantizando la libertad de navegación en los océanos del mundo", agrega. "El concepto de navegación que probamos durante ICEX servirá para ayudar a la Marina en esa misión".

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