Khám phá thế giới dưới mặt biển

Do việc đưa con người lên vũ trụ dễ dàng hơn rất nhiều so với đưa xuống sâu dưới đáy đại dương, các nhà khoa học ước tính, chỉ 5% đại dương của hành tinh chúng ta được khám phá. Cố gắng khắc phục vấn đề này, các thiết bị âm sonar truyền thống đã tạo ra một cuộc cách mạng trong ngành. Tuy nhiên, sonar vẫn có một số hạn chế cố hữu - sóng âm mất hầu như 99,99% năng lượng (tương đương cường độ giảm khoảng một triệu lần) khi truyền từ không khí sang nước và ngược lại - điều khiến sonar không thể sử dụng trên không cho các dự án lập bản đồ đại dương quy mô lớn.

Cho đến nay, các cách duy nhất để sử dụng sonar từ máy bay là thả phao sonar (sonobuoys) xuống nước, hoặc nhúng sonar xuống mặt biển từ trực thăng treo lơ lửng trên không. Trong trường hợp này, máy bay trực thăng không thể tự do di chuyển sang vị trí khác trong khi tác nghiệp với sonar nhúng, vì tại một điểm nó phải nhúng sonar, đo đạc, sau đó nâng thu sonar; bay đến vị trí khác và lặp lại các thao tác đó…v.v.

Để khắc phục các yếu điểm của sonar, các nhà nghiên cứu từ trường Đại học Stanford với sự tài trợ của Hải quân Mỹ đã phát triển Hệ thống Sonar Quang Âm trên không (Photoacoustic Airborne Sonar System - PASS), sử dụng cả ánh sáng và âm thanh để tạo ra hình ảnh chất lượng cao của đáy đại dương từ không trung. Công nghệ mới có thể giúp khảo sát đáy biển (cùng khả năng phát hiện thủy lôi, tàu ngầm và các mục tiêu dưới nước khác) và lập bản đồ từ máy bay liên tục di chuyển.

Nguyên lý hoạt động của PASS

Nhà nghiên cứu Aidan Fitzpatrick của Stanford nói: “Ý tưởng của chúng tôi về công nghệ được đề xuất là ghi lại hình ảnh liên tục khi phương tiện hàng không bay trên mặt nước, “tương tự như phương thức hoạt động của hệ thống radar khẩu độ tổng hợp hoặc hệ thống sonar khẩu độ tổng hợp trong nước hiện có”. Để có được thành công này, PASS tích hợp hai công nghệ tiên tiến: kết hợp cả ánh sáng và âm thanh - cụ thể, sử dụng âm thanh tạo ra bằng tia laze và cảm biến âm thanh đời mới để có được những hình ảnh chất lượng cao về đáy đại dương.

Hiệu ứng quang âm được Alexander Graham Bell phát hiện lần đầu tiên vào cuối những năm 1800, quan sát thấy khi ánh sáng bị một vật hấp thụ và gây ra hiện tượng giãn nở nhiệt. Kết quả là, vật thể phát ra sóng âm thanh, và sóng âm này có thể được ghi nhận bằng cảm biến siêu âm. Tại trường Đại học Stanford, Fitzpatrick và các cộng sự của ông đã sử dụng hiệu ứng quang âm trên nước.

Khi PASS bắn một tia laser với tần số nhất định lên mặt biển, trên bề mặt đại dương xảy ra hiện tượng giãn nở nhiệt nhanh chóng, làm phát ra sóng âm từ bề mặt nước. Ở dưới nước, các sóng âm thanh này hoạt động tương tự như sóng sonar, tác động và phản xạ từ các vật thể, đáy biển, và gửi tín hiệu đến các phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle hay Uncrewed Aerial Vehicle - AUV).

PASS sử dụng bộ phát hiện âm thanh có độ nhạy cực kỳ cao để đối phó với việc mất âm thanh khi truyền từ nước vào không khí. Dữ liệu sóng này do các UAV thu được sẽ được xử lý để tạo thành hình ảnh mà con người có thể nhận biết được. Hầu hết các cảm biến âm thanh hiện tại hoạt động dựa trên nguyên lý áp điện, dựa trên gốm sứ, tạo ra điện thế khi âm thanh tác động vào chúng.

PASS sử dụng các cảm biến khác nhau được gọi là đầu dò siêu âm vi cơ điện dung (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers - CMUT). Về thực chất, đây là những tụ điện được gia công siêu nhỏ bao gồm hai bản mỏng song song, gần nhau. Bất kỳ sự rung động nào của các tấm, chẳng hạn như rung động gây ra bởi sóng âm, đều có thể dễ dàng phát hiện dựa trên sự thay đổi các đặc tính về điện của tụ điện.

Fitzpatrick cho biết, CMUT của họ hiệu quả hơn rất nhiều cho vai trò này so với bộ biến đổi áp điện. “Vì CMUT là thiết bị cơ học chuyển đổi sóng âm thành tín hiệu điện thông qua sự rung động của một tấm rất mỏng khi sóng âm tác động vào tấm màng, nên chúng có hệ số chuyển tiếp rất cao - có nghĩa là chúng có khả năng chuyển đổi phần lớn năng lượng của âm sang năng lượng điện.

CMUT là một phát minh của Stanford, được khám phá bởi giáo sư Butrus Khuri-Yakub, vào giữa những năm 1990. Chúng đã phát triển nhanh chóng và ngày càng được các công ty như Hitachi và Phillips sử dụng phổ biến trong siêu âm y tế. Một ưu điểm của công nghệ là chi phí thấp; có thể có các mảng CMUT lớn và có độ nhạy cao, tương đương với radar mảng quét pha điện tử chủ động (Active Electronically Scanned Array – AESA) trên các máy bay hiện đại.

Nhóm nghiên cứu đã xem xét các phương pháp khác cảm nhận âm thanh từ không khí, bao gồm cả phương pháp đo rung bằng tia laser để phát hiện các rung động âm thanh trên bề mặt nước. Tuy nhiên giải pháp này kém hiệu quả hơn, và đặc biệt là gặp khó khăn khi lọc tín hiệu từ tiếng ồn xung quanh. Bởi vì các CMUT được điều chỉnh để cộng hưởng ở tần số chính xác của xung âm thanh từ xung laser, chúng nhận tín hiệu rõ ràng và loại bỏ tiếng ồn lạ, không liên quan một cách hiệu quả.

PASS nguyên mẫu được tối ưu hóa để lập bản đồ đáy biển có độ phân giải cao, tạo ra một bản đồ ba chiều chi tiết. Hiện tại, các cuộc khảo sát như vậy được thực hiện bằng tàu thủy hoặc tàu ngầm không người lái, một quá trình chậm và tốn nhiều công sức. Khảo sát từ không trung có thể bao phủ các khu vực rộng lớn hơn nhanh chóng hơn nhiều.

Ý tưởng tuyệt vời dù còn nhiều việc phải làm

Cuộc trình diễn đầu tiên của PASS được thực hiện ở quy mô khiêm tốn, với mục tiêu nằm trong một thùng chứa cỡ một chiếc tàu cá được quét bởi một sonar chỉ cách mặt nước vài cm. Nhưng các nhà phát triển không thấy có vấn đề gì đặc biệt khi tăng kích thước của nó ít nhất là bằng kích thước của một chiếc máy bay không người lái bay cao hàng chục mét trên mặt nước và quan sát các vật thể ở độ sâu hàng trăm mét. Sonar PASS sẽ là một thiết bị giá rẻ chỉ nặng vài kg, có thể trang bị cho một đội máy bay không người lái lướt trên biển.

Fitzpatrick lưu ý, nếu yêu cầu duy nhất đối với hệ thống hiện tại là phát hiện (thay vì hình ảnh) - những gì sonar nhúng có thể cung cấp, trong tương lai, sonar PASS có thể sử dụng tần số âm thanh thấp hơn và hoạt động từ thiết bị bay với độ cao lớn hơn nhiều. Các nhà nghiên cứu hiện đang thực hiện các thử nghiệm trong các môi trường lớn hơn, với mục đích có thể chứng minh PASS trong môi trường nước mở.

Đáng nói, vẫn tồn tại một vấn đề nhỏ - sóng điện từ từ PASS vẫn cần phải vượt qua rào cản không khí-nước để được UAV thu nhận. Hiện tại, các sóng điện từ do PASS phát ra vẫn mất khoảng 90% năng lượng, nhưng vẫn hoàn toàn có thể cải tiến. Các nhà nghiên cứu có thể giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả nếu họ tìm ra cách gắn một cảm biến nhỏ hơn có thể cảm nhận được sóng âm thanh đến dưới nước. Khi đã sẵn sàng để sản xuất hàng loạt trên quy mô rộng, PASS có thể thay đổi thế giới, các dự án lập bản đồ đại dương quy mô lớn có thể được thực hiện, có thể phát hiện ra các quần thể sinh vật mới và có khả năng tìm ra các loài sinh vật mới.

PASS cũng có thể được sử dụng cho quân sự, nơi nó có thể phát hiện các mối đe dọa dưới nước hoặc tàu ngầm từ trên không. Với tiềm năng của PASS, sự thay đổi trong cuộc chiến chống ngầm có thể diễn ra khá nhanh chóng. Không chỉ vậy, Fitzpatrick còn hình dung hệ thống này sẽ được sử dụng để tìm kiếm máy bay hay tàu bị mất hoặc tàu bị chìm. PASS là một ý tưởng tuyệt vời có thể thay đổi nhận thức của chúng ta về đại dương và thay đổi thế giới trong nhiều năm tới./.