Investigadores de la Nasa han desarrollado tecnología para encontrar las zonas de turbulencias y, con ingeniería, podrían revolucionar tanto la planificación de vuelos como la investigación aeronáutica.
Los investigadores del Centro de Investigación Langley de la Nasa diseñaron un micrófono infrasónico especial que podría captar las frecuencias ultrabajas generadas por las turbulencias en los cielos. Esta tecnología ahora se está probando en el planeador Stratodynamics HiDRON tanto para la detección de turbulencias como para la investigación aeronáutica.
Todo en la atmósfera puede emitir un sonido. Los volcanes retumban, las cascadas se estrellan y el aire corre, pero hay más en ese sonido de lo que nuestros oídos perciben. Al igual que la luz infrarroja se compone de frecuencias que no son visibles a simple vista, existe un análogo de audio llamado infrasonido. El infrasonido consiste en tonos demasiado bajos para ser escuchados por el oído humano, entre 0,001 y 20 hercios.
Ya sea en el vórtice de estela de los aviones despegando o en un aire aparentemente tranquilo, hay pocos problemas más entrometidos en el vuelo que la turbulencia. Estos “tornados horizontales” no solo pueden hacer que los viajes aéreos sean incómodos y posiblemente peligrosos, sino que los intentos de evitarlos pueden consumir grandes cantidades de combustible.
La turbulencia repentina que a veces se experimenta al volar se llama turbulencia en aire despejado, llamada así porque no hay nubes visibles ni características atmosféricas que adviertan de la interrupción. El aire turbulento e invisible aparentemente puede salir de la nada y causar estragos en los aviones. Aunque no es fácil de detectar visualmente, la turbulencia en el aire claro tiene una firma infrasónica definida.
Los investigadores Qamar Shams y Allan Zuckerwar del Centro de Investigación Langley en Hampton, Virginia, se dieron cuenta de que, si los controladores de tráfico aéreo o los pilotos podían escuchar estos vórtices antes de que los aviones los encontraran, se podría trazar una ruta alternativa.
Sus experimentos comenzaron en 2007, pero, como era de esperar, las pruebas iniciales mostraron que no podían usar cualquier micrófono estándar y esperar que funcionara con infrasonido. Las frecuencias de onda larga tienden a ser dominadas por sonidos de alta frecuencia, lo que resulta en interferencia.
“Descubrimos que los sensores se saturan y no funcionan bien”, dijo Shams. “Pensamos: ‘Hemos combinado nuestra experiencia en instrumentación, entonces, ¿por qué no diseñamos un micrófono nosotros mismos?'”
Shams y Zuckerwar comenzaron a desarrollar algo que pudiera escuchar estas bajas frecuencias con alta fidelidad. Los micrófonos utilizan un diafragma en movimiento para captar audio donde las ondas sonoras hacen que la superficie vibre. Los investigadores utilizaron un diafragma de baja tensión con un radio amplio emparejado con una cámara de aire grande y sellada detrás para permitir que el micrófono escuche estas ondas de sonido ultrabajas que viajan grandes distancias.
Los micrófonos infrasónicos son fabricados por PCB Piezotronics de Depew, Nueva York, bajo contrato con Langley. Con el sensor completado, comenzaron las pruebas. Cuando los micrófonos se colocaron en un patrón triangular equidistante alrededor de los terrenos de la pista de aterrizaje de Langley, pudieron detectar y localizar turbulencias atmosféricas a más de 300 millas de distancia, en los cielos de Pensilvania.
En los cielos azules
Para 2017, la tecnología de Shams y Zuckerwar había ganado el premio a la Invención Comercial del Año de la Nasa, había sido probada en tierra para el Departamento de Defensa y había sido investigada en Sandia National Laboratories para validar su funcionamiento, pero no había volado a bordo de ningún avión. El interés en la detección de turbulencias de Stratodynamics Inc. de Lewes, Delaware, pronto cambiaría eso.
Los fundadores de la empresa participaron en un desafío de carrera espacial de 2016 dirigido por el Centro para el avance de la innovación en cooperación con la Nasa. Space Race fue una competencia global que ofrecía licencias a grupos que pudieran demostrar aplicaciones y casos comerciales para diversas tecnologías. La estratodinámica participó en múltiples categorías, incluido un sistema de control de vehículos aéreos no tripulados (UAV). Después de que la empresa ganara el primer premio en la competencia de vehículos aéreos no tripulados, se invitó al equipo a visitar Langley y conocer a los investigadores detrás de las patentes.
“Mientras estuvimos allí, Shams defendía la tecnología infrasónica”, dijo Nick Craine, líder de desarrollo comercial en Stratodynamics. La empresa comprendió que el sistema de micrófonos tenía un potencial significativo como sensor de detección de turbulencias en vuelo y buscó oportunidades para probar la tecnología. Después de obtener la licencia de las patentes de la Nasa y con la ayuda de Shams, la compañía comenzó a implementar el sensor en un planeador estratosférico sin tripulación conocido como HiDRON, diseñado por su filial canadiense, Stratodynamics Aviation Inc.
Stratodynamics ha elevado su planeador HiDRON lanzado desde un globo a alturas de más de 30.000 metros, desde donde regresa lentamente a la Tierra. Con la ayuda del micrófono infrasónico y la sonda de viento, el UAV mide la intensidad de la turbulencia en su trayectoria a distancia y posiblemente detecte columnas térmicas para mantener el avión navegando durante más tiempo. Se está trabajando más para diseñar los algoritmos necesarios para comprender la intensidad y el rango de la firma turbulenta.
Recientemente, las pruebas iniciales vieron que el micrófono funcionaba bien. Incluso con el viento fuerte azotando al UAV, el equipo pudo aislar las bajas frecuencias de las condiciones ambientales. Stratodynamics llevará a cabo pruebas de vuelo adicionales para avanzar aún más en la tecnología. La compañía no solo evaluará el micrófono desarrollado por la Nasa, sino que también servirá como proveedor de vuelo para una tecnología complementaria de detección de turbulencias de la Universidad de Kentucky, que recibió el apoyo del programa Flight Opportunities de la Nasa. A la espera de los resultados de estas pruebas, el micrófono infrasónico se convertirá en una opción de tecnología estándar para los clientes de Stratodynamics.
Stratodynamics Aviation ahora está trabajando en una nueva versión del planeador en colaboración con la Agencia Espacial Canadiense y la Universidad de Waterloo en Ontario. El avión espacial suborbital HiDRON tendrá una mayor capacidad de carga útil y estará diseñado específicamente para un rendimiento óptimo en la estratosfera.
El equipo espera que los datos proporcionados por el micrófono infrasónico se vuelvan omnipresentes en la detección y predicción de turbulencias, la toma de decisiones de control del tráfico aéreo y la planificación de rutas de aviación. Al hacer que sea más fácil evitar las turbulencias en todas las partes del vuelo, se desperdicia menos combustible al navegar alrededor del aire turbulento y se libera menos dióxido de carbono a la atmósfera.
“A medida que la detección infrasónica continúa demostrando su valor como tecnología de mitigación de turbulencias, su potencial para alterar para siempre el panorama de la aviación se fortalece con cada vuelo”, dijo Craine.
La Nasa tiene una larga trayectoria en la transferencia de tecnología al sector privado. La publicación Spinoff de la agencia describe las tecnologías de la Nasa que se han transformado en productos y servicios comerciales, lo que demuestra los beneficios más amplios de la inversión de Estados Unidos en su programa espacial. Spinoff es una publicación del programa de Transferencia de Tecnología en la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial de la Nasa.
