Una de las características que definen el entorno ártico es el permafrost, que cubre casi el 10 % de la superficie terrestre y permanece completamente congelado durante todo el año. Dado que las temperaturas alcanzan niveles extremos con mayor frecuencia, el Departamento de Defensa de EE. UU. (DoD) ha otorgado una subvención de dos años por 957 013 dólares al profesor Ming Xiao de la Universidad Estatal de Pensilvania para investigar su efecto sobre el permafrost y cómo su derretimiento podría exponer el medio ambiente a contaminantes.
por Ty Tkacik, Universidad Estatal de Pensilvania
Xiao, profesor de ingeniería civil y ambiental , investiga en Alaska el permafrost y sus efectos en la infraestructura de ingeniería civil. Para este proyecto, otorgado a través del Programa de Certificación de Tecnología de Seguridad Ambiental del Departamento de Defensa (DoD), Xiao utilizará tecnología de drones para estudiar cómo el permafrost interactúa con contaminantes como residuos radiactivos o tóxicos en antiguas instalaciones del DoD y bases militares en Alaska.
En una sesión de preguntas y respuestas, Xiao analizó la investigación y la superación de los desafíos que supone estudiar cambios extremos en entornos extremos.
¿Por qué es importante localizar contaminantes en el permafrost?
Durante el siglo pasado, se construyeron numerosos vertederos y otros antiguos depósitos de residuos peligrosos en permafrost. Sin embargo, durante la construcción de estas instalaciones de contención de residuos, los constructores no consideraron el deshielo acelerado del permafrost debido al cambio climático.
Entre los 344 sitios de defensa anteriormente utilizados en Alaska, 269 sitios tenían desechos peligrosos, tóxicos y/o radiactivos en 2015. El movimiento de los contaminantes interactúa y varía con la degradación del permafrost, lo que dificulta su predicción y localización.
¿Qué son las imágenes geofísicas electromagnéticas? ¿Cómo se utiliza la tecnología de drones en la investigación ambiental y, más específicamente, en la del permafrost?
Las imágenes electromagnéticas nos permiten revelar el interior de una estructura analizando cómo las ondas electromagnéticas , un tipo de radiación que transporta energía a través de objetos o del aire, interactúan con ella. Un ejemplo de imagen electromagnética son los rayos X en el ámbito médico.
En este proyecto, medimos cómo las ondas electromagnéticas preexistentes en el aire interactúan con el suelo para revelar detalles bajo la superficie . Los métodos tradicionales de imágenes geofísicas electromagnéticas utilizan instrumentos que se arrastran por la superficie del suelo o se insertan en él para revelar características del subsuelo.
Si bien este enfoque es eficaz, es excesivamente lento, costoso e ineficiente. Además, algunas áreas que necesitamos visualizar, como estanques o zonas contaminadas con residuos peligrosos, son inaccesibles con el enfoque tradicional.
En nuestro proyecto, utilizaremos un sistema basado en drones para realizar imágenes geofísicas, una técnica relativamente nueva que es más eficiente, rentable y adaptable a los entornos que deseamos investigar.
¿Cómo se adapta el sistema de drones a factores ambientales como el frío extremo o terrenos difíciles? ¿Influyeron los factores ambientales en el desarrollo del sistema?
Una gran ventaja del sistema de drones en comparación con las técnicas de imagen tradicionales es que, al estar sobre el suelo, el dron puede navegar fácilmente por terrenos difíciles. Sin embargo, nos enfrentamos a otros problemas. El frío extremo supone un reto para las baterías de los drones: a temperaturas de 0 °C (32 °F), las baterías de nuestros drones solo duran 10 minutos. Debemos ser muy conscientes del tiempo de vuelo , ya que no queremos que el costoso dron y el instrumento de medición se caigan del cielo si se agota la batería.
Otro desafío ambiental importante es el viento. El instrumento que lleva el dron debe mantenerse estable para recopilar datos fiables, pero la velocidad del viento en el Ártico puede superar fácilmente los 32 km/h. Debemos coordinar estratégicamente los vuelos de nuestros drones con la meteorología para obtener datos fiables y no poner en riesgo nuestro sistema.
¿Existen tipos específicos de contaminantes ambientales que el sistema identifica y caracteriza mejor?
Las imágenes geofísicas electromagnéticas son excepcionalmente eficaces para detectar características subsuperficiales eléctricamente conductoras o resistivas. Se pueden encontrar bolsas de permafrost, suelo regular, agua, hielo y contaminantes a diferentes profundidades en el suelo ártico. Cada uno de estos materiales tiene una resistividad eléctrica distinta, lo que significa que pueden aparecer en las imágenes creadas por estudios geofísicos electromagnéticos.
Siempre que tomamos imágenes del subsuelo, generalmente buscamos contaminantes ambientales, no sólo para localizarlos, sino para examinar cómo interactúan con el suelo y otros materiales que los rodean.
Sin embargo, existen algunos problemas que podemos encontrar al encontrar estos contaminantes. A medida que el cambio climático provoca el deshielo del permafrost, el hielo se convierte en agua y se drena, y los contaminantes enterrados en el suelo congelado, que se esperaba que permanecieran congelados, comenzaron a desplazarse con el agua. Esto dificulta la identificación de los contaminantes, ya que se distribuyen de forma diferente y ya no se limitan a zonas específicas del suelo.
Otro gran desafío es el modelo matemático que utilizamos para procesar los datos recopilados por el instrumento montado en el dron. La tecnología de drones que utilizamos para tomar nuestras mediciones es relativamente nueva, lo que significa que aún no existe un modelo matemático válido y fiable para procesar los datos recopilados. Desarrollar un método para interpretar con precisión los datos recopilados por nuestros drones será uno de los objetivos de nuestra investigación.
En su propuesta, menciona que este sistema podría implementarse a un costo relativamente bajo. ¿Cómo logró su equipo encontrar el equilibrio entre costo y prestaciones?
Para aprovechar al máximo nuestro sistema, comparamos la tecnología que desarrollamos en este proyecto con los resultados obtenidos con estudios geofísicos tradicionales, tanto terrestres como aéreos. Comparamos la calidad de los datos, el tiempo necesario para estudiar la misma área y los gastos financieros asociados con la nueva tecnología y los enfoques existentes.
Desarrollaremos una matriz para evaluar estos factores, que nos informará en qué áreas nuestra tecnología sobresale, así como las áreas en las que necesitamos mejorar.
¿Cuál es el mayor problema que su equipo ha superado durante el desarrollo?
Viabilidad de la tecnología. Antes de presentar la propuesta, realizamos pruebas en 2024 en Utqiaġvik, Alaska, la ciudad más septentrional de Estados Unidos. En particular, aprendimos cómo la intensidad de la señal de la onda electromagnética afectaba los resultados de las imágenes; también utilizamos los datos recién recopilados para desarrollar un modelo robusto para el procesamiento de datos. La misión exploratoria nos guió en el desarrollo del proyecto y nos dio la confianza de que la tecnología y el enfoque son viables.
Además de Xiao, otros investigadores del proyecto incluyen a Mine Dogan, geofísico ambiental de la Western Michigan University; Anna Wagner y Taylor Sullivan, investigadores del Laboratorio de Investigación e Ingeniería de Regiones Frías (CRREL), Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU.; los estudiantes de doctorado Xueyang Wang, estudiante de doctorado en ingeniería civil en Penn State; Brandon Tulban, candidato a doctorado en geología y ciencias de la tierra en la Western Michigan University; y Jon Maakestad, un técnico del CRREL que ayudará en la recopilación de datos.
