Mikrofon erkennt Turbulenzen in Hunderten von Kilometern Entfernung

Spinoff ist die jährliche Veröffentlichung der NASA über erfolgreich kommerzialisierte NASA-Technologie. Diese Kommerzialisierung hat zur Entwicklung von Produkten und Dienstleistungen in den Bereichen Gesundheit und Medizin, Konsumgüter, Transport, öffentliche Sicherheit, Computertechnologie und Umweltressourcen beigetragen.

Alles in der Atmosphäre kann ein Geräusch erzeugen – Vulkane grollen und Wasserfälle krachen –, aber hinter diesem Geräusch steckt mehr als das, was unsere Ohren wahrnehmen. Ähnlich wie Infrarotlicht aus Frequenzen besteht, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, gibt es ein Audio-Analogon namens Infraschall, das aus Tonhöhen besteht, die zu niedrig sind (0,001 bis 20 Hertz), um vom menschlichen Ohr gehört zu werden.

Die plötzlichen Turbulenzen, die manchmal beim Fliegen auftreten, werden Klarluftturbulenzen genannt, so genannt, weil es keine sichtbaren Wolken oder atmosphärischen Merkmale gibt, die vor der Störung warnen. Turbulente unsichtbare Luft kann scheinbar aus dem Nichts kommen und verheerende Schäden an Flugzeugen anrichten.

Obwohl es visuell nicht leicht zu erkennen ist, haben Turbulenzen in klarer Luft eine eindeutige Infraschall-Signatur. Die Forscher Qamar Shams und Allan Zuckerwar vom Langley Research Center der NASA in Hampton, VA, erkannten, dass, wenn Fluglotsen oder Piloten diese wirbelnden Wirbel hören könnten, bevor Flugzeuge auf sie treffen, eine alternative Route geplant werden könnte.

Ihre Experimente begannen 2007, aber erste Tests zeigten ihnen, dass sie nicht irgendein Mikrofon von der Stange nehmen und erwarten konnten, dass es mit Infraschall funktioniert. Die langwelligen Frequenzen werden von höherfrequenten Tönen überwältigt, was zu Interferenzen führt.

Das Paar begann, etwas zu entwickeln, das diese niedrigen Frequenzen in High Fidelity hören konnte. Mikrofone verwenden eine sich bewegende Membran, um Audio dort aufzunehmen, wo Schallwellen die Oberfläche zum Vibrieren bringen. Die Forscher verwendeten eine Niederspannungsmembran mit einem großen Radius, gepaart mit einer großen, abgedichteten Luftkammer dahinter, damit das Mikrofon diese extrem niedrigen Schallwellen hören kann, die große Entfernungen zurücklegen. Die Infraschallmikrofone werden von PCB Piezotronics aus Depew, NY im Auftrag von Langley hergestellt.

Nachdem der Sensor fertiggestellt war, begannen die Tests. Als die Mikrofone in einem äquidistanten Dreiecksmuster um die Landebahn von Langley herum platziert wurden, konnten sie atmosphärische Turbulenzen mehr als 300 Meilen entfernt erfassen und lokalisieren.

Bis 2017 wurde die Technologie mit dem NASA Commercial Invention of the Year Award ausgezeichnet, für das Verteidigungsministerium vor Ort getestet und in den Sandia National Laboratories erforscht, um ihre Leistung zu validieren, aber sie war noch nicht an Bord eines Flugzeugs geflogen. Das Interesse an der Turbulenzerkennung von Stratodynamics Lewes, DE, würde das bald ändern.

Stratodynamics erkannte, dass das Mikrofonsystem ein erhebliches Potenzial als Turbulenzerkennungssensor während des Fluges hatte, und suchte nach Möglichkeiten, die Technologie zu testen. Nach der Lizenzierung der Patente von der NASA begann das Unternehmen mit der Implementierung des Sensors in einem unbemannten Stratosphären-Segelflugzeug namens HiDRON.

Stratodynamics hat seinen ballongestarteten HiDRON-Gleiter auf eine Höhe von mehr als 100.000 Fuß gehoben, von wo aus er sich langsam auf den Weg zurück zur Erde macht. Mit Hilfe des Infraschallmikrofons und der Windsonde misst das UAV die Intensität der Turbulenzen auf seinem Weg aus der Ferne und kann möglicherweise thermische Säulen erkennen, um das Flugzeug länger segeln zu lassen. Derzeit wird weiter daran gearbeitet, die Algorithmen zu entwerfen, die zum Verständnis der Intensität und Reichweite der turbulenten Signatur erforderlich sind.

Die Forscher hoffen, dass die vom Infraschallmikrofon bereitgestellten Daten bei der Erkennung und Vorhersage von Turbulenzen, der Entscheidungsfindung der Flugsicherung und der Flugroutenplanung allgegenwärtig werden.

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