Oltre mezzo secolo fa, si è iniziato a lavorare ad un progetto in grado di individuare le posizioni sulla superficie del pianeta grazie ai satelliti. Ciò che ora è noto come il GPS ha fatto molta strada, permeando ogni aspetto della nostra vita quotidiana. Eppure, anche i sistemi GPS più sofisticati di oggi non sono ancora in grado di mappare una parte enorme della Terra: quella che si trova sotto gli oceani, i mari o i fiumi. La tecnologia non si mescola bene con l’acqua, che scompone le onde radio su cui il GPS fa affidamento per funzionare.
Gli scienziati del MIT hanno cercato modi per creare un nuovo tipo di GPS subacqueo, che potrebbe essere utilizzato per comprendere meglio i misteri che si trovano tra la superficie e il fondo marino. Il nuovo modello progettato reagisce ai segnali acustici per fornire informazioni sul posizionamento, anche quando è bloccato nelle profondità oceaniche. Tutto questo, senza nemmeno usare una batteria.
Creato un GPS subacqueo in grado di scrutale il fondale marino
Esistono già sul mercato altri dispositivi GPS subacquei, come per esempio quelli da posizionare sulle balene, ma quelli solitamente emettono suoni. I segnali acustici prodotti vengono intercettati da un ricevitore che a sua volta può risalire all’origine del suono. Tali dispositivi richiedono batterie per funzionare, il che significa che devono essere sostituite regolarmente, e quando si tratta di una balena in migrazione che indossa il localizzatore, non è un compito semplice.
Al contrario il sistema UBL sviluppato dal team del MIT riflette i segnali, piuttosto che emetterli. La tecnologia si basa sui cosiddetti materiali piezoelettrici, che producono una piccola carica elettrica in risposta alle vibrazioni. Questa carica elettrica può essere utilizzata dal dispositivo per riflettere la vibrazione nella direzione da cui proviene. Un trasmettitore invia onde sonore attraverso l’acqua verso un sensore piezoelettrico.
I segnali acustici, quando colpiscono il dispositivo, attivano il materiale per immagazzinare una carica elettrica, che viene quindi utilizzata per riflettere un’onda verso un ricevitore. In base al tempo impiegato dall’onda sonora per riflettersi sul sensore e ritornare, il ricevitore può calcolare la distanza dal dispositivo. Ciò consentirebbe di costruire un GPS subacqueo di lunga durata, scalabile e senza batteria.
Il tempo impiegato per riflettere il segnale è causale
Almeno, questa è la teoria. In pratica, i materiali piezoelettrici non sono componenti facili con cui lavorare; il tempo impiegato da un sensore piezoelettrico per svegliarsi e riflettere un segnale sonoro è casuale. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno sviluppato un metodo chiamato frequency hopping, che prevede l’invio di segnali sonori verso il sistema UBL attraverso una gamma di frequenze.
Utilizzando un teorema matematico chiamato trasformata di Fourier inversa, i ricercatori possono utilizzare i modelli di fase e i dati di temporizzazione per ricostruire la distanza dal dispositivo di tracciamento con maggiore precisione. Il salto di frequenza ha mostrato alcuni risultati promettenti in ambienti di acque profonde, ma le acque poco profonde si sono rivelate ancora più problematiche.
A causa della breve distanza tra la superficie e il fondale marino, i segnali sonori rimbalzano in modo incontrollabile avanti e indietro a profondità inferiori, come in una camera di eco, prima di raggiungere il ricevitore, potenzialmente interferendo con altre onde sonore riflesse nel processo. Mentre gli scienziati hanno riconosciuto che affrontare queste sfide richiederebbe ulteriori ricerche, una prova di concetto per la tecnologia è già stata testata in acque poco profonde e il team del MIT ha affermato che il sistema UBL ha raggiunto una precisione al centimetro.
I sistemi UBL potrebbero anche aiutare i robot sottomarini a lavorare in modo più preciso, tracciare i veicoli sottomarini e fornire informazioni sull’impatto del cambiamento climatico sull’oceano. Il valore dell’acqua degli oceani deve ancora essere mappato e i materiali piezoelettrici potrebbero essere la soluzione.
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