استخدام تكنولوجيا الطائرات العمودية في أخذ عينات المياه في المناطق التي يصعب الوصول إليها

استخدام تكنولوجيا الطائرات العمودية في أخذ عينات المياه في المناطق التي يصعب الوصول إليها

إن رصد نوعية المياه هو حجر الزاوية في الإدارة البيئية، وحماية الصحة العامة، والبحوث الإيكولوجية، فالطرق التقليدية لجمع عينات المياه من البحيرات النائية، ومجاري المياه الأمامية، والأراضي الرطبة، وداخل الغابات الكثيفة غالبا ما تتطلب رحلات جوية باهظة التكلفة، أو مسافات متقطعة لعدة أيام، أو عمليات مراكب خطرة، وهذه القيود تحد من تواتر وشمول العينات المكانية، مما يترك ثغرات كبيرة في البيانات في كثير من مستجمعات المياه.

لماذا تستخدم طائرات بدون طيار لأخذ عينات من المياه في المناطق النائية؟

والمزايا الأساسية التي تنطوي عليها عينات المياه التي تستخدم الطائرات بدون طيار هي قدرتها على سد الفجوة بين الحاجة إلى بيانات موسعة مكانيا والقيود السوقية على أخذ العينات الأرضية، وفي كثير من مستجمعات المياه، تكون أكثر المناطق حساسية بيئيا - مثل مجاري المياه الأمامية، والأوعية الجليدية، والأراضي الرطبة المعزولة - هي أيضا أكثر المناطق صعوبة في الوصول إليها.

وبالإضافة إلى السلامة والكفاءة، فإن الطائرات الآلية توفر مستوى من الدقة المكانية يصعب تحقيقه مع أخذ العينات اليدوية، وباستخدام نقاط طرق الشبكة العالمية لتحديد المواقع وممرات الطيران الآلية، فإن الطائرات الآلية لا يمكنها العودة إلى نفس إحداثيات العينات السطحية عبر استقصاءات متعددة، مما يتيح إجراء تحليل قوي للسلاسل الزمنية، وهذا أمر أساسي لاكتشاف الاتجاهات في نوعية المياه، مثل التغيرات الموسمية في تحميل الكائنات الحية المغذية أو آثار تغير المناخ على الألب.

كيف يعمل عينات الماء ذات القاعدة العنيفة

وتشمل عملية جمع عينات المياه باستخدام طائرة بدون طيار عدة خطوات منسقة: تخطيط البعثات، وجمع العينات، واسترجاع العينات، وتكامل البيانات، وتتطلب كل خطوة معدات وبرامجيات متخصصة لضمان عدم تلوث العينة وتمثيل جسم المياه.

تخطيط البعثات وتصميم مسارات الرحلات

قبل أن تنفجر طائرة بدون طيار، يستخدم المشغلون برامجيات محطات المراقبة الأرضية لتحديد مواقع أخذ العينات، وهي عادة ما تُختار على أساس بيانات الرصد التاريخية، أو صور السواتل، أو مسائل البحث المحددة، وتُصمم طرق الطيران لتعظيم حياة البطاريات، وضمان أن تكون الطائرة بلا طيار قادرة على الاتصال بأمان بكل موقع وخلفية، كما أن خطوط الطيران والحدود القصوى مصممة للامتثال للوائح المتعلقة بالمجال الجوي.

آليات جمع العينات

وهناك عدة آليات لجمع عينات المياه من طائرة بدون طيار، وأكثرها شيوعاً يستخدم جهازاً من أجهزة أخذ العينات، حيث يتم تخفيض زجاجة المعقم أو نظام مضخة مائي مائي مائي متصلب من الطائرة بدون طيار إلى عمق محدد سلفاً، وتحتفظ الطائرة الآلية بموقع باستخدام جهاز تحديد المواقع وكاميرا مقلدة الصنع أو جهاز لمسحوقات الصوم.

الاسترجاع العيني والتعامل

وبعد عودة الطائرة بدون طيار إلى المشغل، يتم إزالة زجاجات العينة ووضعها فوراً في معدات تخزين أو تلف باردة، تبعاً لمحللات المصلحة، وبالنسبة للبارامترات التي تتدهور بسرعة، مثل الهيدروجيني أو الأكسجين المذوب، فإن بعض الطائرات بدون طيار مجهزة بأجهزة نقل متطورة في الموقع في الموقع ، وهي أجهزة استشعار مجهزة لنقل البيانات في الوقت الحقيقي عن طريق القياس.

تكامل البيانات في الوقت الحقيقي

وكثير من النظم الحديثة للطائرات بدون طيار تدمج عينات المياه بالاستشعار عن بعد، فعلى سبيل المثال، يمكن للطائرة الآلية أن تجري أولاً دراسة استقصائية متعددة الأطياف لتحديد مناطق الكلوروفيل المرتفعة (تبين البلوز) ثم تبحر تلقائياً إلى تلك البقع الساخنة لجمع عينات المياه، ويحسن هذا النهج المستهدف إلى حد كبير كفاءة جهود الرصد، ولا سيما في البحيرات الكبيرة أو نقاط الاستيفاء التي يمكن أن تتفاوت فيها الظروف بشكل أكثر دقة.

أنواع الطائرات العمودية المستخدمة في أخذ عينات المياه

ويعتمد اختيار منصة الطائرات بدون طيار الصحيحة لأخذ العينات المائية على الاحتياجات المحددة للبعثة، بما في ذلك المسافة إلى مواقع أخذ العينات، ووزن الحمولة، ومدة الطيران، والحاجة إلى المناورة، والفئات الرئيسية الثلاث للطائرات بدون طيار المستخدمة في هذا الطلب هي طائرات ثابتة الجناحين ومتعددة الأطقم، ومروحية مهجورة عمودية، وطائرة هبوط عمودية.

طائرات بدون طيار ثابتة الجناح

وتشبه الطائرات المسيرة الثابتة الجناحين الطائرات الصغيرة وتصمم لرحلات طويلة المدى تغطي مناطق كبيرة، ويمكنها أن تبقى في مكان يتراوح بين 60 و 90 دقيقة أو أكثر، مما يجعلها مثالية لأخذ العينات عبر شبكات البحيرات الواسعة أو على طول الممرات النهرية، غير أن النماذج الثابتة الجناحين لا يمكن أن تهتز عادة، مما يعقّد عملية خفض العينات إلى عمق دقيق.

طائرات دروبية متعددة (المشاة وأجهزة الهليكوبتر)

وبالرغم من وجود طائرات متعددة الطرازات، ولا سيما أجهزة التكتل والتردد، فإنها تمثل أفق العمل في عينات المياه الدقيقة، وقدرتها على التجويف، حتى في الرياح المتوسطة، تتيح لها تخفيض جهاز أخذ العينات عموديا إلى عمق محدد، كما أن المحركات المتعددة الأجنحة يمكن أن تُعالج في أماكن محصورة، مثل حمولات الجبال الضيقة أو أشجار الصخور الصغيرة المصممة.

طائرات الهليكوبتر الهجينة

(أ) تتجمع الطائرات المسيرة ذات العجلات المهددة بين المدى الطويل للطائرات الثابتة الجناحين وبين القدرة على التزحلق من عدة محركات، وتنفجر هذه المنصات وتهبط عمودياً، ثم تنتقل إلى رحلات جوية متجهة نحو كفاءة، ويمكن أن تطير طائرة بدون طيار مسافة طويلة إلى بحيرة ألبان نائية، وترفع عينة، ثم تطير إلى الخلف - لا توجد بها محركات ثابتة أو متعددة.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

ولم يعد أخذ العينات من المياه على أساس الطائر مفهوما نظريا؛ فقد تم نشره بنجاح في بيئات متنوعة حول العالم، وتبين هذه الدراسات أن التكنولوجيا ذات قيمة عملية.

رصد المياه الجليدية في الهيمالايا

وقد تكون البحيرات الجليدية المرتفعة في الهيمالايا مصادر حيوية للمياه العذبة لملايين الناس، ومع ذلك يصعب الوصول إليها إلى حد بعيد، ففي مشروع عام 2022، استخدم الباحثون جهازا رباعيا مجهزا بنظام عينات معقم لجمع المياه من بحيرة نظيفة عند ارتفاع قدره 000 5 متر، وقد هبطت الطائرة بدون طيار من معسكر قاعي كان يمتد يومين ويتغلب على التلوث الميداني.

تقييم نوعية المياه في غابات الأمازون

ويحتوي حوض الأمازون على مساحات شاسعة من الأنهار المغمورة في الغابات والمياه السوداء التي يتعذر الوصول إليها خلال معظم السنة، وتتطلب العينات التقليدية الوصول إلى الزوارق، وهو أمر محدود بعد انخفاض مستويات المياه، وفي برنامج تجريبي من قبل فريق Conservation International، استخدمت طائرة بدون طيار متعددة الأطقم لجمع عينات من ثلاث مرات من مواقع الانقاذ غير القانونية في يوم واحد.

رصد روتيني للبحيرات النائية في كندا

وفي غابة كندا المزروعة، تقوم حكومات المقاطعات والحكومات الأصلية برصد آلاف البحيرات النائية لتتبع آثار التنمية الصناعية وتغير المناخ، وقد استخدم مشروع تعاوني بين جامعة ألبرتا وشركة خدمات الطائرات بدون طيار طائرة بدون طيار عينة ١٥ بحيرة تنتشر على ٢٠٠ كيلومتر مربع في أسبوع واحد - وهي مهمة كانت ستتخذ طاقما أرضيا لمدة شهر كامل.

التحديات والحلول في أخذ عينات المياه دون طيار

وعلى الرغم من المزايا الواضحة، يجب معالجة العديد من العقبات التقنية والتنظيمية والعملية لكي تصبح العينات المائية التي تستخدم الطائرات بدون طيار روتينية.

محدودية وقت الطيران والقدرة على تحميل الرسوم

ولا يزال الوقت الضئيل هو أهم القيود، إذ يمكن للطائرات الآلية المتعددة الأطقم أن تحمل حمولة عينات من المياه (1-2 كيلوغرام) لمدة 15 إلى 25 دقيقة فقط في ظل ظروف حقيقية، مما يحد من عدد العينات التي يمكن جمعها في كل رحلة، ومن مسافة يمكن تغطيتها، وتشمل الحلول استخدام البطاريات العالية الكثافة (مصابيح الليثيوم أو خلايا الوقود الهيدروجينية)

القيود التنظيمية

وفي كثير من البلدان، تكون عمليات الطائرات بدون طيار خارج خط البصر مقيدة بشدة أو تتطلب إعفاءات خاصة، وبما أن العديد من مواقع أخذ العينات من المياه البعيدة بعيدة عن المشغل، فإن الإذن من شركة BVLOS غالبا ما يكون ضروريا، ويتطور الإطار التنظيمي للطائرات بدون طيار، وتتراكم الآن طرق كثيرة لعمليات شركة BVLOS في بيئات منخفضة المخاطر، ويمكن للباحثين العمل مع سلطات الطيران المحلية للحصول على إعفاءات، لا سيما عندما يتم القيام بعمليات قبول الطائرات غير المجهزة.

القدرة على التنبؤ بالجودة وضمان الجودة

أما فيما يتعلق بتلقي عينة المياه التي تجمعها طائرة بدون طيار، فهي تحد غير ضار، ويمكن للقاذورات التي تستخدمها الطائرة بدون طيار أن تشعل الغبار أو الحطام أو الرش من سطح الماء إذا ما تهبط بدرجة منخفضة جدا، ويجب معالجة خط العينات أو الزجاجات بعناية لتجنب إدخال الملوثات من الطائرة نفسها، وتشمل هذه العينات استخدام حاويات غسيل ذات استخدام واحد؛

Environmental and Weather Constraints

(ب) إن الطائرات الآلية (الطائرات) حساسة لظروف الطقس، ولا سيما الرياح والأمطار ودرجات الحرارة المنخفضة، وكثيراً ما يعني أخذ العينات في المناطق الجبلية بالصفوف المفاجئة، ودرجات الحرارة المتجمدة، والرطوبة العالية.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ويتقدم ميدان أخذ العينات المائية التي تستخدم الطائرات بدون طيار بسرعة، وذلك بفضل الابتكارات في مجال الروبوتات وتكنولوجيا الاستشعار والاستخبارات الاصطناعية، وهناك اتجاهات عديدة تتجه نحو توسيع نطاق القدرات واعتماد هذه التكنولوجيا.

Autonomous Sample Analysis onboard

ومن أكثر التطورات إثارة تقليل الأدوات التحليلية التي يمكن أن تنقلها الطائرات بدون طيار، وتوجد بالفعل نماذج أولية للمستشعرات التي تحملها الطائرات بدون طيار والتي يمكن أن تقيس المغذيات (الرات، الفوسفات)، والأكسجين المذوب، والهاء، وحتى تعقب المعادن في الوقت الحقيقي، وفي المستقبل القريب، يمكن للطائرات بدون طيار أن تؤدي نتائج أساسية مصغرة من حيث التغذية

عمليات الأسلحة الخفيفة من أجل المسحات الكبيرة الحجم

ويمكن أن تؤدي الرحلات الجوية المنسقة من طائرات متعددة بدون طيار )الأسلحة( إلى زيادة كبيرة في كثافة العينات وسرعةها، وقد يكون من الممكن في نفس الوقت أن تُجمع حزام من ٥ إلى ١٠ طائرات بدون طيار عشرات من المواقع عبر مستجمعات مياه كبيرة، وتعود إلى ذلك باختصار شامل لنوعية المياه في نافذة واحدة للرحلات، وهذا النهج قيم بشكل خاص بعد حدوث حوادث عواصف عند الحاجة إلى تقييم سريع لآثار الجر والفيضانات.

التكامل مع الشبكات الساتلية والداخلية

وقد أصبحت الطائرات العمودية مكونا رئيسيا من مكونات نظم رصد الأرض المتكاملة، ويمكن للصور الساتلية أن تحدد أنماطا واسعة النطاق في نوعية المياه، مثل البلوزات الطحالب أو السواحل، ولكنها تفتقر إلى القرار لتحديد الأسباب، ويمكن عندئذ نشر الطائرات العمودية في عينات بالضبط من تلك المناطق، بينما توفر أجهزة الاستشعار الثابتة في الموقع (الزجاجات أو محطات السحب) سجلات مستمرة.

خفض التكاليف والديمقراطية

ومع نضج تكنولوجيا الطائرات بدون طيار، فإن تكلفة الدخول تنخفض، فالطائرات الآلية التجارية التي لا تحمل تكاليفها والتي لديها قدرات لأخذ العينات الأساسية متاحة الآن لما يقل عن 000 10 دولار، مما يجعل التكنولوجيا متاحة للجامعات الأصغر، وللحكومات المحلية، كما أن تصميمات الموارد المفتوحة لتحميل المياه قد نشرت من قبل مجموعات مثل مشروع " مجموعة التدريب على استخدام المياه بدون طيار " ، وهي برامج محدودة على شبكة الإنترنت.

خاتمة

إن تكنولوجيا الطائرات بدون طيار قد انتقلت من جديد إلى أداة عملية لأخذ العينات المائية في المناطق التي يصعب الوصول إليها، ومن خلال الجمع بين إمكانية الوصول والكفاءة والدقة في البيانات، فإن الطائرات الآلية ستمكن الباحثين والمديرين من جمع بيانات نوعية المياه من مواقع كانت في السابق بعيدة المنال، كما أن الفوائد - وهي تقليل المخاطر، وانخفاض التكلفة، وارتفاع التغطية المكانية، والقدرة على إدماج الاستشعار في الوقت الحقيقي - هي تحديات لا تزال قائمة مثل وقت الطيران، والأنظمة، ومراقبة التلوث.