Feuilles de plastique similaires à celles utilisées pour les sacs poubelles, ruban d'emballage, de la ficelle, un peu de poussière de charbon et une boîte blanche de la taille d'une boîte à chaussures sont plus que des bric-à-brac. Ce sont les fournitures Danny Bowman, un géophysicien des Laboratoires nationaux Sandia, doit construire une montgolfière à énergie solaire pour détecter les infrasons.

Les infrasons sont des sons de très basses fréquences, en dessous de 20 hertz, ce qui est inférieur à ce que les humains peuvent entendre. Les éléphants d'Afrique produisent des infrasons pour les communications longue distance à environ 15 hertz. En comparaison, le bourdonnement d'un bourdon est généralement de 150 hertz et les humains entendent entre 20 et 20, 000 hertz.

Juillet dernier, une flotte de cinq ballons solaires a atteint une hauteur de 13 à 15 milles, deux fois plus élevé que les jets commerciaux, et détecté les infrasons d'une explosion test. Cette expérience a été financée par le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire de Sandia. Bowman a présenté les résultats lors de la conférence de l'American Geophysical Union en décembre. Les résultats seront publiés prochainement.

Les infrasons sont importants car c'est l'une des technologies de vérification que les États-Unis et la communauté internationale utilisent pour surveiller les explosions, y compris celles causées par les essais nucléaires. Traditionnellement, les infrasons sont détectés par des réseaux de capteurs au sol, qui ne couvrent pas le large et peuvent être brouillés par d'autres bruits, comme le vent. Bowman a déclaré que les climatiseurs sont également une source courante de bruit infrasons.

"La stratosphère est beaucoup moins bruyante, vous pouvez donc détecter des événements d'intérêt pour la science et la sécurité nationale à de plus grandes distances, " a déclaré Bowman. La stratosphère est la couche atmosphérique d'environ 5 miles à 31 miles au-dessus du sol.

Des montgolfières bon marché volent toute la journée

Une montgolfière à énergie solaire prend trois heures pour Bowman et sa collègue géophysicienne Sarah Albert à faire, et utilise environ 50 $ de matériaux, sans compter le capteur d'infrasons réutilisable ou le tracker GPS. La poussière de charbon aide à réchauffer l'air à l'intérieur du ballon, fournir un ascenseur, sans nécessiter de gaz hélium, une ressource non renouvelable.

Les ballons peuvent même être lancés par temps partiellement nuageux, dit Albert. Ils restent dans la stratosphère toute la journée et descendent après le coucher du soleil. Ce « mécanisme de résiliation garantie » est à la fois un pour et un contre, dit Bowman.

C'est un moyen infaillible de faire tomber les ballons, les capteurs et les données qu'ils ont collectées. D'autre part, des vols plus longs seraient utiles. Pendant l'été arctique, les ballons pouvaient voler pendant des semaines, mais l'équipe travaille également sur des ballons qui peuvent rester en l'air la nuit.

Pour de futures expériences, Bowman s'intéresse à une conception de ballon avec un isolant sur la surface supérieure du ballon et un absorbeur sur le fond, il absorbe donc la chaleur de la Terre pour lui permettre de continuer à voler la nuit.

Plusieurs capteurs déterminent l'emplacement

L'aspect le plus important de cette expérience est que les cinq ballons ont formé un réseau 3D de capteurs, dit Albert. Un capteur peut entendre un son, mais ne peut fournir aucune information de localisation. Albert a dit, "Ma mère est sourde d'une oreille donc c'est difficile pour elle de dire d'où vient un son." Avoir deux oreilles permet aux animaux de déterminer la source d'un son.

Cinq microphones dans un tableau, comme dans cette expérience ou des réseaux de capteurs au sol, fournissent les mêmes informations :la direction d'où provient l'onde sonore. Les chercheurs coordonnent les informations de plusieurs réseaux pour trianguler la source du son.

Calculer d'où vient l'onde sonore peut être un défi lorsque chaque capteur du réseau se déplace l'un par rapport à l'autre et à la source, dit Bowman. De nombreux algorithmes de calcul supposent des capteurs stationnaires, l'équipe a donc dû les adapter pour inclure les informations GPS.

Utilisation future dans la surveillance des traités et l'exploration du système solaire

Bowman a proposé des capteurs d'infrasons embarqués sur ballon volant dans le cadre de la prochaine série du projet Source Physics Experiment de la National Nuclear Security Administration. Ce projet développe de nouveaux et améliorés, approches fondées sur la physique pour surveiller les explosions nucléaires souterraines.

En plus des utilisations potentielles de la surveillance des traités et de la sécurité nationale, Bowman et Albert espèrent faire voler des montgolfières dans des expériences non terrestres.

Bowman aide un projet du Jet Propulsion Laboratory de la NASA à explorer la possibilité d'utiliser des capteurs d'infrasons embarqués sur Vénus pour écouter les tremblements de Vénus. Vénus est semblable à la Terre en masse, mais est géologiquement très différent sans tectonique des plaques apparente.

Une autre possibilité que l'équipe explore consiste à faire voler des capteurs d'infrasons sur Jupiter. Jupiter est une géante gazeuse avec des questions scientifiques ouvertes sur sa structure interne et sa géologie auxquelles les infrasons pourraient aider à répondre. "Nous sommes encore à des décennies d'une mission réelle, " a déclaré Bowman. "Mais je suis impatient de voir jusqu'où cela ira."

Les résultats de l'essai de recherche antérieur de Bowman faisant voler des capteurs d'infrasons individuels sur des ballons ont été publiés dans Lettres de recherche géophysique et plus récemment en Journal of Geophysical Research :Atmosphères .

Bowman a dit, « C'est un nouveau domaine de recherche vraiment passionnant. Les capteurs d'infrasons embarqués sur ballon ne remplaceront jamais les réseaux acoustiques au sol, mais je pense que cela peut les augmenter. Et la chose la plus excitante est de voler dans l'atmosphère d'autres planètes et ce que nous pouvons en apprendre."