Если раньше учёные могли наблюдать сверху за объектами на поверхности Земли только с помощью пилотируемых самолётов или спутников, то сегодня они расширяют, развивают и совершенствуют свои исследования благодаря беспилотникам. Размеры дронов варьируются в широких пределах. Они могут соответствовать как размеру самолета, так и размеру шмеля. Большинство малогабаритных дронов питаются от литий-полимерных батарей, а более крупные используют ДВС. Конструкции квадрокоптеров изготовлены из углеродного волокна, что делает их легкими и удобными для посадки.
Возможности беспилотных аппаратов
В зависимости от задач исследования, квадрокоптеры оснащаются различным оборудованием:
- Цифровые камеры могут идентифицировать растения и животных, помогают создавать трехмерные карты.
- Тепловые камеры обнаруживают инфракрасное излучение от живых существ, а также от воды и подземных объектов, которые излучают в ночное время тепло, накопленное за день (метод используется в археологии).
- Гиперспектральная визуализация посредством измерения отраженного света интерпретирует более широкий диапазон длин волн, чем способен видеть человеческий глаз.
- LiDAR измеряет, сколько времени требуется излучаемому импульсу света, чтобы достичь цели и вернуться к датчику. Эти данные используются для расчета расстояния до объекта и его высоты.
Вот некоторые области применения этих полезных устройств в научных исследованиях.
Исследования в биологии
Дроны отслеживают морских млекопитающих, подсчитывают популяции животных и контролируют соблюдение законов в заповедниках. Исследователи из организации по сохранению китов из Массачусетса использовали беспилотники, летающие низко над китом, для улавливания брызг из органов дыхания животного. Затем они проанализировали собранную ДНК, чтобы изучить микробиом кита, гормоны стресса и беременности.
Исследование вулканов
Самое большое преимущество использования квадрокоптеров заключается в том, что они могут получить изображение с мест, до которых очень трудно добраться. Исследователь Эйнат Лев изучала вулканы с целью улучшить оценки и прогнозы опасности извержений. Она использовала дрон, оснащенный камерой, чтобы сделать тысячи фотографий потока лавы вулкана Холухраун в Исландии в 2014–2015 годах, одного из крупнейших потоков лавы в зарегистрированной истории. Фотографии использовались для создания трехмерной цифровой топографической карты потока лавы. LiDAR просканировал топографию главного отверстия, а тепловизионная камера зафиксировала температуру в трещинах и горячих источниках.
Изучение физики океана и климата
Дроны дают возможность отказаться от применения морских кораблей, которые возмущают водную поверхность и делают ее непригодной для изучения. Беспилотник позволяет проводить замеры в спокойном океане. С помощью инфракрасного изображения измеряют температуру любой поверхности, будь то океан, лед или земля. Карты температуры помогают определить скорость обмена между океаном и атмосферой, стадии роста, таяния или повторного замерзания льда, температуру талой воды по сравнению с океанской водой и то, как дрейфует морской лед. Гиперспектральная камера видимого диапазона способна показать, когда лед разрушается и проникает солнечный свет, что влияет на цветение фитопланктона. Поскольку фитопланктон поглощает солнечную радиацию, это может привести к увеличению тепла океана вблизи поверхности и оказать влияние на таяние льда. Гиперспектральные изображения в ближнем инфракрасном диапазоне показывают свойства поверхности и позволяют определить возраст морского льда.
Для получения данных с квадрокоптера сбрасывают капсулу размером с банку из-под газировки. При падении модуль анализирует атмосферу на предмет температуры, водяного пара и давления. В океане он становится микробуем и измеряет температуру и соленость воды на разных глубинах. Данные хранятся на борту микрокапсулы, а как только она обнаруживает беспилотник, то передает информацию на его борт.
Ученые из университета Бремена изучают с помощью квадрокоптеров береговую эрозию, мангровые сообщества, а также распространение кораллов и гибель мелких кораллов (если обесцвечивание кораллов сильное, камеры могут увидеть это сверху). Дроны делают множество снимков через короткие промежутки времени, которые позже объединяются с помощью программного обеспечения и алгоритмов для создания цельного изображения местности и трехмерной цифровой модели рельефа. Поскольку прибрежные районы быстро меняются, повторные полеты через короткие промежутки времени могут показать различия в условиях, например до и после шторма.
Исследования растений
Инженеры лаборатории NIMBUS штата Небраска разработали беспилотники, которые измеряют высоту посевов, что позволяет ученым изучать здоровье посадок и реакцию на факторы окружающей среды. Пролетая вблизи растений, аппарат использует двухмерный лазерный сканер для оценки их высоты. Другая разработка представляет собой систему отбора проб воды, установленную на дроне. Она может контролировать качество воды, определять местонахождение токсичных водорослей и находить инвазивные виды в труднодоступных районах. Инженеры работают над беспилотником, который сможет подлетать к удаленному датчику, определять, нужно ли подзарядить его батарею, и заряжать ее по беспроводной сети. Это позволит поддерживать непрерывную работу всех датчиков, чтобы никакие данные не были потеряны.
Мы перечислили лишь некоторые примеры применения беспилотных летательных аппаратов в науке. Эти устройства предоставляют новые возможности для проведения измерений, которые раньше было невозможно выполнить.