Un soplo de aire fresco: los vehículos de superficie no tripulados mapean la hipoxia en el Golfo

Dos helicópteros SeaTrac SP-48 en el Golfo. Crédito: USM/SeaTrac Systems

El método científico sirve como estándar para la investigación, guiando proyectos analíticos y de investigación. Si bien se ha enseñado a generaciones de estudiantes, sus pasos están lejos de ser obsoletos, ya que los avances tecnológicos ayudan a los investigadores a desarrollar y modernizar cada uno de ellos, ahorrando tiempo, dinero e incluso vidas. La recopilación de datos, el paso intermedio del método científico, no es una excepción. Muchos proyectos requieren conjuntos de datos sólidos, a menudo recopilados en entornos extremos o durante largos períodos de tiempo. La Universidad del Sur de Mississippi (USM), con la ayuda de SeaTrac Systems, ha recurrido a soluciones autónomas para realizar investigaciones sobre hipoxia en el Golfo de México.

La colaboración, que incluye a la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA), mapea la hipoxia potencial en el Golfo y su impacto en la pesca local y las poblaciones de peces. Las zonas hipóxicas, también conocidas como zonas muertas, son áreas de agua donde los niveles de oxígeno disminuyen debido a la contaminación por nutrientes, lo que suele afectar significativamente la vida acuática. La colaboración completó recientemente con éxito la segunda fase del proyecto, basándose en una fase anterior y superando la prueba de concepto para desplegar múltiples vehículos de superficie no tripulados (USV) SP-48. "Es una operación muy laboriosa y compleja con un gran buque de investigación", dijo James Thompson de la USM. "Nosotros la abordamos desde la perspectiva de un vehículo no tripulado; podemos modernizarla con las herramientas disponibles actualmente".

La camioneta de los vehículos de superficie no tripulados (USV)

La pieza clave de esta investigación es el SP-48 USV, acrónimo de "energía solar" y "4,8 metros". Con aproximadamente 4,5 metros de eslora y unos 295 kilogramos de peso, puede operar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, durante meses gracias a un gran conjunto de paneles solares en su cubierta que cargan una batería interna. Está diseñado para operar tanto cerca de la costa como en alta mar; dentro del alcance de este proyecto, el USV podría estar a tan solo 8 kilómetros de la costa o a tan solo 64 kilómetros de distancia. "La embarcación en sí es una plataforma para la recopilación de datos", afirmó Hobie Boeschenstein, director de operaciones y desarrollo comercial de SeaTrac. "La concebimos como una camioneta, donde la plataforma en sí no es tan útil para nadie. Lo importante son las cargas útiles que se le pueden instalar y la posibilidad de intercambiarlas rápidamente para incorporar diferentes elementos, ya sean unidades de sonar, sensores de calidad del agua o sensores oceanográficos".

El vehículo de superficie no tripulado SeaTrac SP-48. Crédito: USM/SeaTrac Systems

A lo largo de las fases del proyecto, SeaTrac y USM implementaron cambios en el USV para hacerlo más versátil y robusto en sus capacidades de recopilación de datos. "Específicamente para este proyecto", agregó Boeschenstein, "el mayor esfuerzo de desarrollo por nuestra parte se centró en el cabrestante y en la capacidad de realizar perfiles hasta el fondo marino. Durante el transcurso del proyecto, la incorporación de sistemas de comunicación adicionales, como el Starlink Mini, representó una gran mejora con respecto al inicio del proyecto".

"Es increíblemente versátil en cuanto a lo que podemos instalarle. Probamos cámaras, probamos tecnología para evitar colisiones y muchas otras cosas durante esta misión de hipoxia. Eso demuestra la flexibilidad de esta embarcación", confirmó Thompson. "Otra cosa que recopilamos, simplemente porque pudimos, fueron datos de corrientes acústicas. Es como una camioneta. Se le pueden instalar muchísimas cosas a bordo y, con el tamaño de la batería y la capacidad de generar tanta energía solar, supone un cambio radical".

Fase uno

La primera fase del proyecto sirvió principalmente como prueba de concepto, poniendo a prueba los vehículos y los diversos sensores, así como su capacidad para recopilar los datos necesarios. "Aprendimos mucho sobre lo que necesitábamos ajustar para que funcionara", dijo Thompson. "Y lo logramos, y mucho mejor de lo que esperábamos".

La progresión lógica consistió en realizar estudios de mayor duración, evaluar diferentes configuraciones de sensores y operar varios vehículos de superficie no tripulados (USV) simultáneamente en distintas configuraciones. «Lo que aprendimos», añadió Thompson, «fue que el vehículo podía generar toda esta energía, pero no la estábamos aprovechando al máximo». Cambiaron los sensores para que se alimentaran o recargaran con el USV, lo que supuso una diferencia significativa en la cantidad de datos que podían recopilar. «Ya no teníamos que limitarnos en función de la energía disponible en los sensores. Podíamos recopilar cada vez más datos. Y esto demostró la ventaja de poder no solo alcanzar las coordenadas habituales de cada año, sino también encontrar dónde cambia el límite de la hipoxia y afinarlo mediante la toma de muestras de datos adicionales».

SeaTrac participó activamente desde el inicio de este proyecto, desarrollando nuevas funciones como un cabrestante para trasladar los sensores desde la superficie hasta el fondo marino. "Una parte fundamental del mapeo de la hipoxia es llegar hasta un metro del fondo marino", explicó Boeschenstein. "De lo contrario, se pierden datos importantes. Un gran esfuerzo de desarrollo por nuestra parte fue cómo asegurarnos de que la sonda llegara hasta allí. Trabajamos estrechamente con el equipo de USM para explorar diferentes maneras de lograrlo y, finalmente, desarrollamos un sistema que utiliza un conjunto de parámetros de software para detectar la holgura en el cable y determinar que el sonido se encuentra en el fondo; no se puede acercar más".

"Cuando buscamos el mayor impacto de la hipoxia en la pesca, nos fijamos en esa capa que está justo cerca del fondo, donde viven todos los organismos bentónicos. Obviamente, si no pueden nadar hacia arriba y salir de ahí, su metabolismo y productividad se verán afectados", explicó Thompson.

"El hecho de poder llevar los sensores hasta el fondo marino y saber con certeza que estaban en esa capa inferior del agua, y luego poder observarlos en tiempo real y decir: 'Sí, todavía detectamos bajo nivel de oxígeno aquí, avancemos hacia el sur y veamos si podemos encontrar ese límite donde volvemos a tener agua oxigenada', fue absolutamente crucial. Poder ajustar la misión sobre la marcha y saber que estábamos obteniendo los datos relevantes fue fundamental."

Un SP-48 en el agua. Crédito: USM/SeaTrac Systems

Vistas capturadas por el SP-48 en alta mar, incluyendo condiciones climáticas adversas y avistamiento de fauna marina. Crédito: USM/SeaTrac Systems

Fase dos y más allá

Durante la segunda fase, USM desplegó varios SP-48 simultáneamente, supervisados por un único operador en tierra. El equipo recopiló 123 datos verificados de hipoxia gracias a la mayor autonomía, el muestreo adaptativo rápido y la fiabilidad de la plataforma, incluso en las difíciles condiciones del Golfo, que incluyeron el paso de un sistema meteorológico tropical por la zona de operaciones.

"Uno de los objetivos principales que hemos perseguido en cada ocasión es mejorar la integración de los sensores y el flujo de datos", afirmó Thompson. "La primera fase consistió en probar las posibilidades; la segunda, en perfeccionar el proceso. Esto incluyó aspectos como una mayor rapidez en el procesamiento de datos, la transmisión de la información desde el sensor al barco y, posteriormente, desde el barco vía satélite a nuestro sistema, para poder compartirla con la NOAA en tiempo real durante la travesía".

Otra diferencia, señaló Thompson, era que los sensores se desarrollaban a su propio ritmo, lo que permitía aprovechar las nuevas funciones para mejorar la recopilación de datos. "AML Oceanographic, la empresa que fabrica el instrumento de perfilado, ha desarrollado una función de carga inalámbrica", añadió Boeschenstein. "Tradicionalmente, teníamos que encontrar el equilibrio entre encender la sonda, recopilar los datos, apagarla y volver a ponerla en reposo, lo que resultaba complicado y, finalmente, agotaba la batería. Esto limitaba las posibilidades de uso". Cuando AML Oceanographic implementó esta nueva función, el equipo de USM no necesitó cambiar las baterías a mitad del proceso, lo que permitió realizar estudios más extensos durante periodos más prolongados.

"También es una cuestión de seguridad", añadió Thompson. "Se evita que la gente tenga que ir a reparar un vehículo en alta mar, lo cual de por sí es una situación precaria".

Seguimiento de las trayectorias de los vehículos de superficie no tripulados (USV). Crédito: USM/SeaTrac Systems

SeaTrac SP-48 en el Golfo. Crédito: USM/SeaTrac Systems

De cara al futuro, el equipo espera otro verano de recolección de datos, con el objetivo de incorporar un tercer SP-48 a la flota. En cuanto al procesamiento de datos, los investigadores continúan desarrollando la automatización para incluir pasos adicionales de control de calidad y buscan añadir un modelo 3D de oxígeno disuelto para toda el área de estudio.

Una tercera fase daría continuidad al trabajo de las fases uno y dos, recopilando datos cruciales sobre hipoxia y destacando el uso de vehículos de superficie no tripulados (USV) en la recopilación y monitorización de datos en alta mar. Además, este proyecto pone de manifiesto algo menos común: cómo las actualizaciones tecnológicas graduales, como la carga inalámbrica, la gestión energética y la carga útil de sensores, pueden integrarse en tiempo real para modernizar e impulsar la investigación.

Hobie Boeschenstein. Crédito: USM/SeaTrac Systems

James Thompson. Crédito: USM/SeaTrac Systems

Vea el vídeo completo en Marine Technology TV.