Al fondo de la Fosa de las Marianas, en un lugar llamado el Abismo Challenger cerca de Guam, a 36.000 pies debajo de la superficie del océano, las presiones del agua alcanzan las aplastantes ocho toneladas por pulgada cuadrada, unas mil veces la presión atmosférica estándar al nivel del mar. Algunas comparaciones nos piden que imaginemos a 100 elefantes adultos de pie sobre su cabeza, lo que sin duda sería doloroso si sobreviviera el tiempo suficiente expuesto a ese tipo de presión para sentir algo en absoluto.
Pero eso no ha impedido que los humanos se aventuraran a este inhóspito lugar. Los exploradores lo han hecho solo un puñado de veces, con sistemas tripulados y sin tripulación, en naves especialmente diseñadas que pueden soportar la presión. Sin embargo, nunca lo han hecho de una manera sistemática a largo plazo, pero eso está a punto de cambiar.
En el Institución Oceanográfica Woods Hole (WHOI) en Massachusetts, un pequeño equipo de científicos e ingenieros está desarrollando una nueva clase de sistemas robóticos autónomos llamados Orfeo, llamado así por una figura de la mitología griega que se aventuró a través de las profundidades del Hades. Pronto podrán llegar a cualquier parte de los confines más profundos y oscuros del mar.
La idea es desarrollar una pequeña flota de naves autónomas que puedan permanecer inactivas durante horas, tal vez días, recolectando grandes cantidades de datos y muestras que ayudarán a los investigadores a comprender mejor todo, desde el cambio climático hasta cómo la vida puede sobrevivir en tales extremos. No es de extrañar que cuando los científicos contemplan la próxima frontera en la que se podría utilizar dicha tecnología, miren hacia el espacio.
Explorando océanos aquí y en otros mundos
El océano profundo del planeta es el lugar menos explorado y comprendido de la Tierra. En la llamada zona hadal, de 20.000 a 36.000 pies bajo la superficie, las presiones son inmensas, la oscuridad absoluta y los misterios de la vida son abundantes.
Se cree que si existe vida en otra parte del sistema solar, se encontrará en una de las lunas cubiertas de hielo de Júpiter (Europa) o Saturno (Encelado), los cuales también tienen océanos debajo de su hielo. Si hay vida, dicen los científicos, lo más probable es que adopte la forma de microbios como los que se encuentran a grandes profundidades en nuestros propios océanos. O tal vez habría algo completamente diferente. Una nueva forma de vida. Simplemente no tenemos ni idea.
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Actualmente, la NASA está contemplando misiones para encontrar vida en otras lunas desembarcando y explorando debajo del hielo, pero es probable que permanezcan décadas fuera. Mientras tanto, a medida que desarrollamos la tecnología necesaria para que una nave aterrice y se sumerja en un océano extranjero helado, buscamos las grandes profundidades de nuestros propios mares como el análogo más cercano. Ese trabajo se está haciendo ahora.
Buceando con Orfeo
Ya se han construido dos vehículos Orpheus y se están probando en varios puntos oceánicos profundos de los Estados Unidos, incluido un vasto cañón submarino a lo largo de la plataforma continental de Nueva Inglaterra y frente a la costa de Florida en un lugar llamado Blake Plateau. Cada robot tiene aproximadamente el tamaño de una motocicleta Harley Davidson, tiene la forma de un sándwich de hoagie y su construcción cuesta menos de $ 200,000, mucho más barato que otros sistemas robóticos submarinos con capacidad similar. Pueden funcionar de forma autónoma, lo que harán en las profundidades abisales, pero también pueden funcionar mientras están conectados a una correa.
El proyecto Orpheus es parte de un programa más amplio para explorar las profundidades del océano en WHOI llamado HADEX, abreviatura de Hadal Exploration. El proyecto promete abrir una nueva frontera en la ciencia del océano profundo y ayudar a los biólogos marinos a comprender mejor cómo los organismos pueden sobrevivir a las presiones aplastantes del océano profundo. Las condiciones son tan diferentes allí, que las adaptaciones necesarias para sobrevivir también deben ser muy diferentes, creen los científicos. La exploración de la parte más profunda del océano puede conducir al descubrimiento de formas de vida completamente nuevas, posiblemente nuevos Reinos de vida.
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“Una vez que pasas los 6.500 metros, todo parece cambiar”, dice Timothy Shank, biólogo de aguas profundas de la Institución Oceanográfica Woods Hole y director del proyecto Orpheus. “El sistema microbiano parece cambiar. La vida animal que está en la columna de agua cambia. Las cosas en el lecho marino cambian “.
“Quiero decir, a veces recuerdan lo que vemos en otros lugares”, continúa. “Hay gusanos, hay camarones. Hay cosas así, pero tienen distintas adaptaciones. Tienes diferentes biomoléculas dentro de sus cuerpos. Hacen diferentes cosas para vivir allí. Y entonces hay una gran cantidad de preguntas sobre cómo viven allí con su metabolismo, su fisiología y qué podemos aprender de eso “.
Esta no será la primera vez que Shank explora la parte más profunda del océano. Un robot anterior llamado Nereo, diseñado dentro del Laboratorio de inmersión en aguas profundas en WHOI, se aventuró a bajar a la Fosa de las Marianas en 2009 y se esperaba que fuera un caballo de batalla para la exploración de aguas profundas / abisales. Sin embargo, en una inmersión en el Fosa de Kermadec cerca de Nueva Zelanda en 2014, el vehículo Nereus perdió contacto con su nave nodriza y desapareció. Se cree que la asombrosa presión del océano probablemente provocó la implosión del robot.
“Fue un proyecto de $ 14 millones”, dice Shank. “Habíamos tenido más de una docena de publicaciones de hallazgos novedosos simplemente basados en cuatro inmersiones que teníamos. Tremendo. Nuevas especies, todo tipo de cosas descubiertas “.
Desde la pérdida de Nereus, la parte más profunda del océano ha estado cerrada en gran medida a la exploración a largo plazo por parte de los investigadores. Hasta ahora.
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“La idea ahora es construir un vehículo submarino autónomo [that’s] ligero, [and] barato de hacer. Podemos tener una flota de ellos y tirarlos, y ellos irían a inspeccionar el fondo marino en las partes más profundas de nuestro océano ”, dice Shank. “Dejemos que recorran grandes distancias y nos traigan esa información”.
No es fácil crear vehículos que puedan navegar bajo inmensas presiones, en total oscuridad, en cañones submarinos que a veces pueden tener solo unos pocos cientos de metros de ancho. Hacerlo con robots autónomos que actúan por sí mismos es aún más difícil. Es por eso que Shank recurrió a las personas que tienen una vasta experiencia en la construcción de robots autónomos que pueden manejar condiciones extremadamente duras: NASA’s Laboratorio de propulsión a chorro (JPL).
Sintiendo el paisaje y el paisaje marino
Durante décadas, los científicos de JPL han estado desarrollando sistemas que pueden operar de forma autónoma en otros cuerpos planetarios. Los han enviado a Marte y asteroides distantes, pero la mayoría de esos sistemas han sido relativamente simples según los estándares de lo que esperan lograr eventualmente. Ninguno será tan desafiante y complicado como los que queremos enviar bajo el océano de la luna de otro planeta. Los desafíos son tan enormes que solo recientemente los investigadores han tenido el poder de cómputo y la experiencia para escribir algoritmos que pueden ser capaces de lidiar con todas las contingencias y complejidades de explorar en entornos tan extremos.
“La autonomía es un multiplicador importante de lo que seremos capaces de hacer con la exploración”, dice Andrew Klesh, el ingeniero principal de sistemas de Orpheus en JPL. “Nos permitirá ser más audaces en nuestras preguntas y consultas científicas y en nuestros objetivos de devolver los datos”.
Parte de ese esfuerzo dependerá de una capacidad sensorial que no suelen emplear los vehículos autónomos en las profundidades. La mayoría de los sistemas submarinos dependen del sonar para la navegación, que mide el reflejo de las ondas sonoras que golpean un objeto para determinar la ubicación, el tamaño y la forma. Pero el sistema Orpheus utiliza la capacidad visual, empleando pequeñas cámaras que pueden mapear y registrar el terreno local.
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“Es esencialmente un par de ojos que pueden mirar a través del fondo del océano en busca de características que podamos reconocer y luego usar estas características para determinar cómo avanzar”, dice Klesh. “Y no solo avanzando, sino cómo cambia nuestra actitud y orientación. Hacemos esto todo el tiempo en Marte “. Pero otra característica increíblemente útil del sistema es que está diseñado para recordar dónde ha estado.
En Marte y en el fondo del océano, los sistemas de navegación como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) obviamente no están disponibles, por lo que las naves espaciales que exploran otros cuerpos en el espacio o en las profundidades del océano deben usar diferentes técnicas para determinar dónde se encuentran. Al memorizar varias funciones en un entorno y acceder a ellas mientras están en movimiento, estos nuevos vehículos pueden comprender dónde están y proporcionar esa información a futuras expediciones.
A medida que Orpheus atraviesa el fondo, tomará imágenes superpuestas de alta resolución que crean una imagen tridimensional del fondo marino. También llevará una amplia gama de sensores que le permitirán detectar las firmas químicas de respiraderos hidrotermales o filtraciones de baja temperatura.
“Entonces, mientras hablamos de hacer visitas a áreas, estamos identificando sitios interesantes para que los científicos envíen muestreadores y luego recuperen las cosas más interesantes”, dice Klesh.
En este momento, el conjunto de algoritmos de última generación para vehículos autónomos se llama Navegación relativa al terreno (TRN), y actualmente está trabajando en la superficie de Marte. los Mars 2020 Perseverance Rover, que aterrizó el 18 de febrero de 2021 en el cráter Jezero en el planeta rojo, fue programado para permitir a la NASA aterrizar el rover de manera segura al detectar de manera rápida y autónoma su ubicación en relación con la superficie marciana y modificar su trayectoria según sea necesario durante el descenso. También permite que el vehículo navegue por terrenos peligrosos en la superficie mediante la construcción de un mapa visual en 3D de los alrededores.
Al utilizar un sistema similar en los vehículos Orpheus, que pueden realizar muchas misiones y tener esos datos disponibles para su análisis, los ingenieros pueden entrenar aún más el sistema para el futuro, un futuro que esperan que incluya misiones al espacio, incluida una misión potencial. a Europa.
“Los entornos son muy similares entre Europa y la Tierra”, dice Russell Smith, el ingeniero de software líder del JPL en Orpheus, refiriéndose a las presiones en los dos océanos. “Después de atravesar el hielo, la exploración será muy similar a la que estamos haciendo ahora con Orpheus”.
Sumergirse a enormes profundidades
Hasta ahora, la plataforma Orpheus todavía se encuentra en su fase de prueba, pero Shank dice que una inmersión en una de las profundas trincheras del planeta podría tener lugar ya en 2022. Las pruebas que se han realizado hasta ahora ofrecen esperanzas de que el vehículo funcione bien. a grandes profundidades. Los resultados de la prueba más reciente, lanzada por la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) Explorador del océano en mayo, fueron alentadores, dice Shank.
“Tuvimos ocho inmersiones con un [Orpheus] vehículo. Funcionó fantásticamente ”, dice. “Estábamos mirando el mantenimiento de la altitud, los giros, solo la capacidad de esta cosa para mantener el rumbo. Y fue un gran éxito. Recorrimos más de 24 kilómetros [15 miles] en ocho inmersiones. Hicimos imágenes del fondo marino, haciendo mosaicos en 3D. Teníamos un sensor químico a bordo que detecta cosas in situ y detectaba diferencias en el contenido de oxígeno del agua mientras conducíamos “.
A medida que el sistema Orpheus continúa avanzando, los científicos de JPL están comenzando a mirar hacia el cielo, pero el salto desde el océano profundo al espacio profundo no sucederá de la noche a la mañana.
“Estamos a varias décadas de poder enviar vehículos para explorar los océanos de Encelado y Europa”, dice Klesh. Hay varios proyectos en marcha, como el programa Europa Clipper, que realizará un estudio detallado de Europa para determinar si alberga las condiciones adecuadas para la vida. Pero, dice Klesh, “aún queda mucho trabajo por hacer”.
Según Shank, hay mucho que aprender, y ahora es el momento de hacerlo con un sistema más económico y flexible que los del pasado.
“Hay tantas preguntas, es alucinante”, dice Shank. “El plan es marcar el comienzo de una nueva era, y no es solo una era de descubrimiento de la ciencia, sino también de la tecnología”.